DE102014005270A1

DE102014005270A1 - Verfahren zur Befähigung von Methanfermentationsanlagen zur stofflichen und energetischen Verwertung von lignocellulosehaltigen biogenen Einsatzstoffen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102014005270A1
Application number: DE102014005270.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: LUCE PATENT GMBH, DE
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2015-10-15

Abstract

Verfahren zur Befähigung von Methanfermentationsanlagen zur stofflichen und energetischen Verwertung von lignocellulosehaltigen biogenen Einsatzstoffen durch aufeinanderfolgende Kopplung der Verfahrensstufen – Bevorraten der Einsatzstoffe, – Suspendieren der Einsatzstoffe, – Hydrolysieren der erzeugten Biosuspension, – Methanfermentieren der erzeugten Hydrolysate, – Nachfermentieren der Gärsubstrate aus der Methanfermentation, – Zwischenlagern der Gärreste aus dem Fermentationsbereich, – Phasentrennen der Gärreste, – Einsetzen der Gärreste als organische NPK-Düngemittel, – Trocknen, Entschwefeln und Verdichten der anfallenden Biogase, – energetisches Verwerten der anfallenden Biogase als Bioerdgas oder als Kraftstoff für den Betrieb von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, gekennzeichnet dadurch, dass die Silagelager für das Einlagern und Bevorraten von trockenen lignocellulosehaltigen Ernteresten, wie Getreidestroh, Ölsaatenstroh, Maisstroh, Getreide-, Mais- und Ölsaaten-Reinigungsrückständen genutzt werden, dass die lignocellulosehaltigen Erntereste auf mittlere Stückgrößen von < 10 mm zerkleinert werden, dass in der erzeugten Biosuspension der Trockensubstanzgehalt auf 12 bis 18% eingestellt wird, dass die zerkleinerten Erntereste thermomechanisch aufgeschlossen werden, dass die zerkleinerten und gegebenenfalls thermomechanisch aufgeschlossenen Erntereste unter Einsatz von Biofiltraten suspendiert werden, dass die hydrolytische Behandlung der Biosuspension in einer der Methanfermentation vorgeschalteten Hydrolysestation vorgenommen wird, dass die hydrolytische Behandlung der Biosuspension aerob durchgeführt wird, dass zumindest für die erste Stufe der Methanfermentation hydraulisch und nur teilweise gemischte Methanfermenter eingesetzt werden, dass zumindest die Fermenter der ersten Stufe der Methanfermentation bei der Erstbefüllung mit an die Verwertung lignocellulosehaltigen Einsatzstoffe adaptierte mesophilen Methanbakterien-Mischkulturen beimpft werden und dass zumindest die in der Hauptfermenterstation erzeugten Biogase einer biologischen Entschwefelungskolonne zur Gewinnung einer Biosäure zugeführt werden.

Description

Anwendungsgebiet:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befähigung von Methanfermentationsanlagen zur stofflichen und energetischen Verwertung von lignocellulosehaltigen biogenen Einsatzstoffen und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Eine derartige technische Lösung wird für die Umrüstung von Biogasanlagen in der Landwirtschaft zur Vermeidung des Einsatzes von Futtermitteln und zur Nutzung zusätzlicher landwirtschaftlicher Nutzflächen für die Marktfruchtproduktion benötigt.
Stand der Technik:
Im Zusammenhang mit den weltweiten Bemühungen um den Klimaschutz wurden in erster Linie Anlagen zur Gebrauchsenergiegewinnung unter Einsatz fossiler Energiequellen als Hauptverursacher für die zusätzliche CO₂-Belastung der Erdatmosphäre identifiziert. Die naturgemäße Reaktion bestand in der Forcierung der Nutzung regenerativer Energiequellen, unter denen die energetische und stoffliche Nutzung von Biomasse insbesondere wegen deren Grundlastfähigkeit inzwischen eine herausragende Stellung erreicht hat. Vermeintlich wirtschaftlich besonders effiziente technische Lösungen wurden angesichts der beispielsweise in Deutschland staatlich zugesicherten stabilen Vergütungen für die Netzeinspeisung von Elektroenergie aus derartigen Bioenergieanlagen realisiert, wenn Futtermittel als biogene Einsatzstoffe, beispielsweise Maissilage, Grassilage und/oder Getreideganzpflanzensilagen, vorgesehen wurden. Insbesondere widerspiegelt der seit 2009 weitegehend stabile Weltmarktpreis für Brotgetreide auf einem überwiegend verdoppelten Niveau gegenüber der vorhergehenden Dekade die parallel zum Wachstum der Weltbevölkerung eingetretene Verknappung dieses wichtigen Lebensmittels.
Zusätzlich wird die Preisentwicklung bei konventionellen Futter- und Lebensmitteln durch die fortschreitende Reduzierung ertragreicher landwirtschaftlicher Nutzflächen und dem wachsenden Fleischkonsum in den so genannten Entwicklungsländern beeinflusst.
Die insbesondere in Deutschland beobachtete politische Fehlorientierung durch die Förderung des Einsatzes hochwertiger Tierfuttermittel zur Gewinnung von Bioenergie erschwert zunehmend wegen unveränderter Vergütungen für die in derartigen Bioenergieanlagen gewonnene Elektroenergie den wirtschaftlich ertragreichen Betrieb von Methanfermentationsanlagen auf der Grundlage des Einsatzes von Tierfuttermitteln. Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, technische Lösungen für die Effizienzerhöhung bei der Gewinnung von Gebrauchsenergie und organischen Düngemitteln in Methanfermentationsanlagen mit überwiegendem Futtermitteleinsatz aufzufinden.
So konzentrieren sich züchterische Aktivitäten auf die Entwicklung ertragreicherer Futterpflanzen, um einerseits die für die Bioenergiegewinnung beanspruchten landwirtschaftlichen Nutzflächen zu reduzieren und andererseits den in der eingesetzten Biomasse gebundenen Kohlenstoff mit einer höheren Ausbeute in Biogas umzuwandeln. Ein Beispiel hierfür sind die züchterischen Erfolge beim Anbau der „durchwachsenen Silphie”.
Verschiedene Entwickler und Anbieter von Anlagen zur Methanfermentation, die in größerem Umfang Futtermittel als biogene Einsatzstoffe nutzen, haben Angebote für das so genannte Repowering solcher Anlagen als zukunftsträchtiges Geschäftsfeld entdeckt.
So wird mit der DE 10 2004 053 615 B3 (2004) ein Verfahren vorgeschlagen, mit dessen Hilfe strukturreiche biogene Abfallstoffe in einem als Perkolator bezeichneten aeroben Hydrolyseapparat vorbehandelt werden, wobei die anfallende Dünnphase einer anaeroben Methanfermentation zugeführt und zur Biogasgewinnung genutzt wird. Der anfallende Gärrest wird erneut zur Perkolation oder im Falle des überschüssigen Gärrestanfalls zu Düngungszwecken genutzt. Die in der aus der Perkolation gewonnenen Dünnphase enthaltenen leicht abbaubaren biogenen Inhaltsstoffe sollen durch die Zwischenspeicherung der Dünnphase zur bedarfsgerechten Biogasgewinnung genutzt werden.
Der entscheidende Mangel diese Vorschlages besteht darin, dass ein beachtlicher Teil der Kohlenstoffverbindungen der eingesetzten biogenen Stoffe im aeroben Perkolationsprozess zu flüchtigen Verbindungen umgesetzt wird und außerdem zusätzliche Maßnahmen zur umweltgerechten Behandlung der in der Perkolationsstufe anfallenden Abgase erforderlich werden.
Die DE 10 2007 007 131 A1 (2007) offenbart eine technische Lösung zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen, indem die Anlage zur Gewinnung und energetischen Verwertung von Biogas mit einer Anlage zur Gewinnung von Algenbiomasse gekoppelt wird. Die gezielte Algenproduktion unter Verwendung von thermischer Energie aus der energetischen Verwertung der Biogase und von Nährstoffen aus den Gärresten der Biogasanlage soll die Anforderungen an den Einsatz von so genannten nachwachsenden Rohstoffen aus der landwirtschaftlichen Produktion reduzieren können. Der technische Lösungsvorschlag ist vor allem dadurch begrenzt, dass der gegenwärtige Entwicklungsstand der technischen Algenzucht eine wirtschaftliche Biomasseproduktion für energetische Zwecke noch nicht zulasst.
Einen Vorschlag zur Erzeugung von Biogas aus ligninhaltigen Biomassen enthält die DE 20 2007 019 537 U1 (2007). Diese sieht vor, Stroh durch Vermahlen feinzuzerkleinern, durch chemische und/oder thermische Behandlung aufzuschließen und/oder mittels alkalischer oder saurer wässriger Medien aufzuweichen. Anschließend soll das vorbehandelte lignocellulosehaltige biogene Material in üblichen Methanfermentationsanlagen anstelle von Futtermitteln oder dergleichen zum Einsatz kommen. Als Biogasanlagen sollen bekannte Trockenfermentationsanlagen oder übliche volldurchmischte Biogasreaktoren für die Nassfermentation zum Einsatz kommen. Der Vorschlag übersieht, dass auch aufgeschlossene lignocellulosereiche Einsatzstoffe für eine wirtschaftlich nutzbare Verwertung in Methanfermentationsanlagen den Einsatz spezieller Mischkulturen und zusätzliche Maßnahmen für deren dauerhafte Bestandserhaltung erfordern.
Die DE 20 2008 006 843 U1 (2007) schlägt eine technisch verbesserte Hammermühle als Vorrichtung für die Aufbereitung der Einsatzstoffe für eine Biogasanlage vor. Durch die mögliche Flüssigkeitszuführung zum eigentlichen Mahlgut wird die Herstellung eines intensiv aufgeschlossenen und homogen vermischten Gärsubstrates ermöglicht, womit ein intensiverer Fermentationsprozess zu erreichen sein soll.
Für die erforderliche mechanische Substratvorbereitung ist diese technische Lösung sicher nutzbar. Sie gibt jedoch keinerlei Anregungen für das Aufbrechen des Lignocellulose-Verbundes in lignocellulosehaltigen Abfallbiomassen der landwirtschaftlichen Praxis. Ebenso wenig enthält sie Hinweise für den Erhalt der erforderlichen adaptierten Mikroorganismen und für das Vermeiden von toxischen Konzentrationen störender Inhaltsstoffe der Gärsubstrate.
Die DE 20 2008 006 843 U1 (2008) offenbart eine technische Lösung zur Einsatzstoffaufbereitung für eine Biogasanlage, wie sie für die mechanische Voraufbereitung von insbesondere faserigem Einsatzmaterial benötigt wird. Die vorgeschlagene technische Lösung sieht eine spezielle Prallmühle vor, die neben der Zerkleinerung des Einsatzstoffes simultan die Konditionierung mit einem Flüssigprodukt zur Gewinnung einer feinteiligen Biosuspension ermöglicht. Dieser Vorschlag verbessert zweifellos die Ertragsfähigkeit der Methanfermentation bei Einsatz der vorbehandelten Einsatzstoffs, bietet jedoch noch keine Voraussetzung für die Substitution von hochwertigen Futtermitteln durch lignocellulosereiche Abfallbiomasse.
Eine technische Lösung zur diskontinuierlichen Hydrolyse von organischen Substraten enthält die EP 2177280 A2 (2008). Sie beschreibt eine technische Lösung für eine diskontinuierliche Hydrolyse von organischen Substraten, mit deren Hilfe auch lignocellulosehaltige Einsatzstoffe für eine stoffliche und energetische Verwertung mittels Methanfermentation aufgeschlossen werden können. Dabei handelt es sich um eine so genannte Dampfperkolation unter Einsatz von Heißdampf, wie sie prinzipiell aus der Holzverzuckerung bekannt ist. Die wirksame Hydrolyse wird allerdings durch einen erheblichen apparativen und energetischen Aufwand erreicht, der die Rechtfertigung für eine wirtschaftlich und energetisch verbesserte Methanfermentation von Abfallbiomassen in Frage stellt.
In der DE 10 2008 015 609 A1 (2008) ist eine technische Lösung für die Erzeugung von Biogas offenbart, die ebenfalls eine räumliche Trennung des Hydrolyseschrittes von der Methanfermentation vorsieht. Zur Gewährleistung von definierten hydrolytischen Behandlungszeiten der Einsatzstoffe ist das batchweise Hydrolysieren in zwei alternativ zu beschickenden Hydrolysebehältern vorgesehen.
Das Anmaischen der überwiegend trockensubstanzreichen Einsatzstoffe für den offensichtlich anaeroben Hydrolyseprozess soll mit Biofiltrat aus der Phasentrennung der Gärreste erfolgen.
Die jeweils erzeugten Hydrolysate sollen jeweils vollständig aus den Hydrolyseapparaten in die nachgeordnete Fermenterstation überführt werden. Mit dieser vorgeschlagenen Verfahrensvorschrift ist ein nachhaltiger Betrieb einer Biogasanlage aus wenigstens zwei Gründen nicht zu gewährleisten:
Einerseits kommt es durch die Kreislaufführung von Teilen der anfallenden Gärreste zum Ansteigen der Gehalte von beispielsweise Ammonium und/oder gelöstem Schwefelwasserstoff im Gärsubstrat auf toxische Konzentrationen.
Andererseits müssen infolge der angestrebten Versäuerung der eingesetzten Biosuspensionen in den batchweise beschickten Hydrolyseapparaten die mit einer längeren Generationszeit vervielfältigungsfähigen Hydrolysebakterien eine wirtschaftlich nutzbare Konzentration erreichen, wodurch die Hydrolyse sowohl von Zufallseinflüssen als auch durch längere Behandlungszeiten gekennzeichnet sein kann.
Mit der DE 10 2008 046 615 A1 (2008) wird vorgeschlagen, die Gewinnung von Biogas aus schwer abbaubaren biogenen Einsatzstoffen dadurch zu ermöglichen, dass der eigentlichen Methanfermenterstation eine Hydrolyseeinrichtung vorgeschaltet wird, die hinsichtlich Temperaturführung und Behandlungszeit des zu hydrolysierenden Einsatzstoffs steuerbar ist. Die überwiegend trockensubstanzreichen cellulose- und/oder lignocellulosehaltigen Einsatzstoffe sollen mit Biofiltraten angeimpft und angemaischt werden, die bei der Phasentrennung der anfallenden Gärreste aus der Fermentationsstation gewonnen werden. Infolge des vorgesehenen Recyclings von Teilen der anfallenden Gärreste kommt es zwangsläufig zu einer Anreicherung von Ammonium und/oder gelöstem Schwefelwasserstoff im Gärsubstrat, wodurch es beim Erreichen toxischer Konzentrationen zu einer nachhaltigen Schädigung der aktiven Methanbakterien-Kulturen kommen muss.
Die DE 10 2010 062 624 A1 (2010) offenbart einen Verfahrensvorschlag der sich durch die kombinierte aerobe und anaerobe Behandlung der verfügbaren pflanzlichen Biomasse mit hohen Anteilen an vergärbarer Substanz auszeichnet.
Dabei wird ein Anteil der anfallenden Fermentationsreste als Rezirkulat in einem Zwischenschritt durch Luftzusatz aerob behandelt und dem anaeroben Prozess erneut zugeführt.
Dieser Vorschlag dient zweifellos wenigstens teilweise zum Erschließen von Anteilen der in den Fermentationsresten enthaltenen lignocellulosehaltigen Phasen für die erneute anaerobe Behandlung.
Allerdings werden die mitgeführten anaeroben Mikroorganismen unter der toxischen Wirkung des bei der aeroben Behandlung eingetragenen Sauerstoffs so geschädigt, dass sie für eine nachhaltige Ausbildung einer an veränderte Einsatzstoffqualitäten adaptierte Kultur nicht verfügbar sind. Außerdem wird die Erschließung von Gasbildungspotential aus den verfügbaren Einsatzstoffen in erster Linie durch vergrößerte Mengenströme und verkürzte Behandlungszeiten in den Fermentationsräumen erkauft.
Mit der DE 10 2010 010 091 A1 (2010) wird die als Bioliquid-Verfahren bezeichnete technische Lösung für die stoffliche und energetische Verwertung biogener Rohstoffe bekannt gemacht. Durch die Auftrennung der biogenen Rohstoffe in eine zum Festbrennstoff konfektionierten Phase und in ein Flüssigsubstrat für die effizientere Methanfermentation soll unter Inkaufnahme des Verlustes der in den Festbrennstoffen enthaltenen Potentiale an Pflanzennährstoffen eine insgesamt höhere spezifische Energieausbeute aus dem eingesetzten organischen Substrat erzielt werden.
Die DE 10 2011 015 611 A1 (2011) beschreibt einen technischen Lösungsvorschlag, mit dessen Hilfe organische Substrate dadurch effizient einem Methanfermentationsprozess unterzogen werden können, dass die Einsatzstoffe mit aktiven anaeroben Mikroorganismen in Kontakt gebracht werden. Das erzeugte Gemisch wird nun einer mehrstufigen Fermentation zugeführt, bis nach der letzten Fermentationsstufe ein weitgehend stabilisierter Fermentationsrest mit geringem Restgaspotenzial verfügbar ist. Wenigstens ein Teilstrom der erzeugten Fermentationsreste soll einer Fest-Flüssig-Phasentrennung zugeführt werden, wobei die flüssige Phase zur Vermischung mit den unbehandelten Einsatzstoffen und die feste Phase für eine thermische Behandlung genutzt werden. Nach der thermischen Behandlung soll die feste Gärrestphase erneut in den Fermentationsprozess zurückgeführt werden. Zur Vermeidung von Akkumulationen störender Prozessinhaltsstoffe soll vor der thermischen Behandlung ein erforderlicher Teilstrom der festen Gärrestphase aus dem System ausgeschleust werden. Angestrebt werden eine verbesserte Ausbeute an methanhaltigen Gasen aus den verfügbaren organischen Einsatzstoffen, der Erhalt der aktiven Mikroorganismen und das Vermeiden von Prozessstörungen infolge toxischer Konzentrationen von Inhaltsstoffen des Gärsubstrates.
Der Hauptmangel dieses Vorschlages besteht darin, dass eine kulturschädigende Vorbehandlung der verfügbaren Einsatzstoffe, beispielsweise durch eine thermische und/oder aerobe Vorbehandlung des Gärsubstrates, vor dem unmittelbaren Fermentationsprozess nicht möglich ist, ohne den Erhalt der an die Einsatzstoffe adaptierte Mikroorganismen zu gefährden. Außerdem wird durch die wiederholte Rückführung von Anteilen der flüssigen und festen Fermentationsreste in den mit üblichen Rührfermentern betriebenen Fermentationsprozess die Mindestbehandlungszeit der eingesetzten organischen Substrate nicht wesentlich erhöht, wie es für den Einsatz lignocellulosehaltiger Einsatzstoffe bekanntermaßen unverzichtbar ist.
Mit der DE 10 2012 203 148 B3 (2012) wird schließlich ein Vorschlag bekannt gemacht, nach dem die eingesetzte Biomasse wenigstens einem Zerkleinerungsschritt unterworfen wird, wobei die Zerkleinerung mit Hilfe eines Flüssigkeitsschneiders erfolgt. Als Schneidflüssigkeit sollen neben Frisch- und/oder Brauchwässer auch im Kreislauf rückführbare Prozessflüssigkeiten genutzt werden können, denen den Methanisierungsprozess fördernde Medien zugesetzt sein können. Der unveränderte Einsatz der konventionellen Biomasse in den Fermentationsprozess wird durch die offenbarte technische Lösung nicht in Frage gestellt.
Aktuell (2014) bieten erfolgreiche Unternehmen der europäischen Biogasbranche darüber hinaus für die Verbesserung der technischen und wirtschaftlichen Effizienz bestehender Biogasanlagen, die überwiegend mit so genannten Nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden, unterschiedliche technische Lösungen an:
Die Agraferm Technologies AG, www.agraferm.com, schlägt als bevorzugte technische Lösung für die Steigerung von Leistung und Effektivität einer Biogasanlage die Erhöhung der Viskosität der Biosubstrate vor und bietet dazu eine robustere Rührtechnik für die Ausstattung mechanisch gerührter Methanfermenter an.
Die agri.capital GmbH, www.agri-capital.de, bezeichnet die technischen Maßnahmen zum Repowering von Biogasanlagen im Wesentlichen als die erweiterte Nutzung der anfallenden Wärme, die Umrüstung auf die Netzeinspeisung von Bioerdgas, die Minderung des Eigenverbrauchs von Elektroenergie, die Beseitigung von Gasleckagen, die Erhöhung der Anlagenflexibilität und die Erhöhung der Ausnutzung der Einsatzstoffe.
Die ARCHEA Biogas B. V., www.archea-biogas.de, bietet auch mit ihren deutschen Tochtergesellschaften einen liegenden rohrförmigen Vorhydrolyseapparat für eine anaerobe Pfropfenstromhydrolyse als Mittel für die Leistungssteigerung und/oder zur Einsparung von Einsatzstoffsubstraten an. Weiterhin wird mit dem Produkt ARCHEFERM ein Prozessstabilisator als Mittel für die Förderung der Mikroorganismentätigkeit angeboten.
Die bioteg Biogas Systems GmbH, www.bioteg-biogas.de, geht von einer Erhöhung des Biogasertrages in bestehenden Anlagen durch die Nachrüstung einer vorgeschalteten Hydrolysestation als Voraussetzung für eine erhöhte Abbaurate der in den Einsatzstoffen gebundenen Bioenergie aus und betrachtet solche Möglichkeiten, wie Dissolver- oder Extruder-Technik bzw. Desintegration der Einsatzstoffe mittels Hochspannung oder Ultraschall zur Erleichterung des biologischen Abbaus, als eine willkommene Ergänzung der Hydrolyse. Ob es sich bei dem offerierten Vorschlag um eine aerobe oder um eine anaerobe Hydrolyse handeln soll, ist nicht erkennbar.
Die BTS Biogas GmbH, www.bts-biogas.com, bietet verschiedene Repoweringkonzepte an und schlägt in diesem Zusammenhang vor allem den Austausch der so genannten Fütterungslinie und den Einbau einer auf die vorhandenen Substrate angepasste Aufbereitungstechnik vor.
Die bue Anlagentechnik GmbH, www.bue-anlagentechnik.de, sieht den Hauptweg für die Optimierung und Erweiterung von bestehenden Biogasanlagen im Fehlen eines effizienten Nutzungskonzeptes für die anfallende Wärme bei der Verstromung der gewonnenen Biogase und schlägt zur Überwindung dieser Situation die entsprechende Anlagenerweiterung vor.
Die Energy2market GmbH, www.energy2market.de, erkennt das wesentliche Potential der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit in der Erhöhung der Flexibilität der Methanfermentationsanlagen mit Hilfe der Integration eines PowerToHeat-Moduls.
Die EnviTec Biogas AG, www.envitec-biogas.de, wirbt im Zusammenhang mit dem Repowering von Biogasanlagen vor allem für den Einsatz effizienterer Technik zur Substrataufbereitung und für den Ersatz uneffektiver Blockheizkraftwerkstechnik.
Die FNR Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., www.fnr.de, orientiert für das Repowering von Biogasanlagen in erster Linie auf solche Maßnahmen, wie die Optimierung der Nährstoffversorgung der tätigen Mikroorganismen, auf die Vergrößerung des Faulraumvolumens, auf das Nachrüsten geeigneter Substrataufbereitungs- und -eintragstechnik, auf wirksamere Rührwerkstechnik, auf die Vergrößerung des Gasspeichervolumens, auf die Optimierung des Fütterungskonzeptes und auf eine wirtschaftlichere Wärme- und Gärrestnutzung.
Die PlanET Biogastechnik GmbH, www.planet-biogas.com, empfiehlt das Nachrüsten des Produkts PlanET eco^® link in Bestands-Biogasanlagen für die automatische Störungsmeldung und das bedarfsgerechte Ab- und Zuschalten der Biogasanlage. Weiterhin soll eine Senkung der Betriebskosten einer Biogasanlage durch das Produkt PlaET eco^® cover als neue Technik-Lösung zur biologischen Entschwefelung des Rohbiogases erreicht werden können.
Die SBBiogas GmbH, www.sbbiogas.de, prognostiziert eine um 20 bis 30% erhöhte Biogasausbeute bei Einsatz einer weiterentwickelten Vergärungetechnologie. Wesentliche Bestandteile dieser Technologie bestehen in der Kombination von Hauptfermentation mittels thermophiler Kulturen und Nachfermentation mittels mesophiler Kulturen. Ergänzt wird das Angebot durch die als R+S-Technologie zur Sedimententnahme aus den Fermenter bei ununterbrochenem Betrieb und durch den Einsatz von höhenverstellbaren Auslegerrührwerken zur Vermeidung des Entstehend von Schwimmschichten in den Fermenter.
Die Schmack Biogas GmbH, www.schmack-biogas.viessmann.com.de, offeriert zur Steigerung des Gasertrages aus der verfügbaren Biomasse unter dem Markennamen METHANOS^® die Zugabe eines Mikronährstoffcocktails zum Gärsubstrat. Bei unverändertem Energieertrag sollen dadurch bis zu 18% der Gärsubstrate eingespart werden können.
In „Biogas: Repowering wird der Trend der Zukunft” top agraronline, www.topagrar.com, wird der Weg der Steigerung der Effizienz, in der Anlagenvergrößerung, in der Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades und in der professionelleren Anlagenbetriebsführung gesehen.
Die Weber-Entec GmbH, www.weber-entec.com, bietet mit der BioPush Biogaskatalysator einen Ultraschallreaktor, mit dessen Hilfe inhomogen Substrate mit hohem Trockenmassegehalt behandelt werden, um einen bis zu 25% höheren Biogasertrag aus den Einsatzstoffen zu erzielen. Dies soll bei gleicher Anlagenleistung zur erhöhten Ausbeute, damit zum reduzierten Substrateinsatz und zur energiesparenden Durchmischung der Fermenter führen.
Dem bekannten Stand der Technik haftet damit der gemeinsame Mangel an, technische Lösungen für die entscheidende Zielstellung einer Effizienzverbesserung bei bestehenden Biogasanlagen nicht bieten zu können.
Die wichtigste Maßnahme besteht unabhängig davon, ob die bisherige energetische Leistung beibehalten oder erhöht wird, im Ersatz der bisher in Form von hochwertigen Tierfuttermitteln eingesetzten biogenen Substrate durch Abfallbiomassen, insbesondere aus der eigenen landwirtschaftlichen Produktion des Anlagenbetreibers. Als wirtschaftlich bedeutsamer Nebeneffekt könnte damit auf den Energiepflanzenanbau verzichtet werden. Zusätzlich ließen sich die bisher für den Energiepflanzenanbau genutzten landwirtschaftlichen Nutzflächen für die zusätzliche Marktfruchtproduktion nutzen. Aus dem bekannten Stand der Technik ist auch nicht entnehmbar, mit welchen technischen Lösungen zur Minimierung der zu handhabenden Mengenströme bei der Fermenterbeschickung die zur Einsatzstoffsuspendierung benötigten Prozessflüssigkeiten aus den Fermentationsresten gewonnen werden, ohne die Anreicherung von ausgewählten Inhaltsstoffen im Gärsubstrat bis auf toxisch wirkende Konzentrationen sicher auszuschließen.
Aufgabe der Erfindung:
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Entwickeln einer technischen Lösung, mit deren Hilfe die Mängel des bekannten Standes der Technik überwunden werden können. Dabei geht es vor allem um die Minimierung des erforderlichen Einsatzes zusätzlicher verfahrenstechnischer Maßnahmen und anlagentechnischer Komponenten zur Komplettierung bestehender Methanfermentationsanlagen, von denen ein Maximum bereits verfügbarer technischer Mittel in die neue technische Lösung einbezogen werden soll.
Dies soll insbesondere durch verfahrenstechnische und apparatetechnische Mittel erreicht werden, die den Austausch der bisherigen Einsatzstoffe in Form von Tierfuttermitteln durch lignocellulosehaltige Abfallbiomassen, vorzugweise aus der standortnahen landwirtschaftlichen Produktion, ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung:
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und durch eine Anordnung nach dem Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist das Verfahren, mit dessen Hilfe Methanfermentationsanlagen zur stofflichen und energetischen Verwertung von lignocellulosehaltigen biogenen Abfallbiomassen aus der Pflanzen- und/oder Tierproduktion befähigt werden, durch die aufeinanderfolgende Kopplung der Verfahrensstufen

– Bevorraten der Einsatzstoffe,
– Suspendieren der Einsatzstoffe,
– Hydrolysieren der erzeugten Biosuspension,
– Methanfermentieren der erzeugten Hydrolysate,
– Nachfermentieren der Gärsubstrate aus der Methanfermentation,
– Zwischenlagern der Gärreste aus dem Fermentationsbereich,
– Phasentrennen der Gärreste,
– Einsetzen der Gärreste als organische NPK-Düngemittel,
– Trocknen, Entschwefeln und Verdichten der anfallenden Biogase und
– energetisches Verwerten der anfallenden Biogase als Bioerdgas oder als Kraftstoff für den Betrieb von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen charakterisiert.

Die besondere Eignung einer solchen verfahrenstechnischen Kombination von verfahrenstechnischen Schritten für die erfindungsgemäße Zielstellung wird dadurch erreicht, dass die bestehenden Silagelager nun für das Einlagern und Bevorraten von trockenen lignocellulosehaltigen Ernteresten, wie Getreidestroh, Ölsaatenstroh, Maisstroh, Getreide-, Mais- und Ölsaaten-Reinigungsrückständen genutzt werden. Bei Verfügbarkeit von Abfallbiomassen mit Trockensubstanzgehalten von deutlich weniger als 85% werden Teile der bisher für die Herstellung von Gantpflanzensilagen genutzten Silagelager unter Zuhilfenahme von Silierhilfsmitteln für die Strohsilierung eingesetzt.
Trockensubstanzreiche Abfallbiomassen aus der Tierproduktion werden zur Vermeidung von erhöhten Geruchsemissionen just in time eingesetzt.
Die lignocellulosehaltigen Abfallbiomassen aus der Pflanzen- und/oder Tierproduktion werden auf mittlere Stückgrößen von < 10 mm zerkleinert und zur Erzeugung einer Biosuspension mit einem Trockensubstanzgehalt zwischen 12 und 18% genutzt. Dieser für die Nassfermentation extreme Trockensubstanzgehalt hat mehrere bedeutsame Funktionen:
Erstens wird die dem Fermentationsprozess zuzuführende organische Trockenmasse in einer vergleichsweise kleinen Biosuspensionsmenge konzentriert, wodurch sich sowohl für die hydrolytische als auch für die Methanfermentation vergleichsweise geringe Anforderungen an die Behältervolumina ergeben.
Zweitens wird durch die hohe Thixotropie der feststoffreichen Biosuspension die Entmischungsneigung der spezifisch leichten und spezifische schweren Inhaltsstoffe der homogenisierten Biosuspension in Durchmischungspausen wirksam behindert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die zerkleinerten Einsatzstoffe thermomechanisch aufzuschließen, insbesondere in den Fällen, in denen diese Einsatzstoffe lignocellulosehaltige Bestandteile enthalten. Die zerkleinerten und gegebenenfalls thermomechanisch aufgeschlossenen Einsatzstoffe werden bevorzugt unter Einsatz von Biofiltraten suspendiert, weil deren Einsatz die Anforderungen an zusätzliche die Mengenbilanz belastende Prozessflüssigkeiten minimiert und weil in diesen Biofiltraten die an die mittlere Einsatzstoffqualität adaptierten Mikroorganismen enthalten sind.
Es ist erfindungswesentlich, dass die hydrolytische Behandlung der Biosuspension in einer der Methanfermentation vorgeschalteten Hydrolysestation vorgenommen wird.
Diese hydrolytische Behandlung der Biosuspension wird im Interesse einer gegenüber einer anaeroben Hydrolyse kurzen Behandlungszeit und eines wirksamen Aufbrechens der lignocellulosischen Strukturen in den eingesetzten landwirtschaftlichen Abfallbiomassen unter Zuführung von Umgebungsluft aerob durchgeführt.
Das bei der hydrolytischen Behandlung der Biosusopension gewonnene Hydrolysat wird nun der Methanfermentation zugeführt. Zumindest für die erste Stufe der Methanfermentation werden hydraulisch gemischte und nur teilweise gemischte Methanfermenter eingesetzt. Mit diesen Fermentern lassen sich unabhängig von der gewählten Faulraumgröße die erforderlichen Mischungsenergien für die zumindest zeitweilig erforderlichen Umwälzungen des trockensubstanzreichen Gärsubstrates realisieren.
Eine Abhängigkeit von Mischmechanismen mit begrenzten Antriebsleistungen besteht dabei nicht.
Die erforderliche Fermentationsleistung wird dadurch erreicht, dass zumindest die Fermenter der ersten Stufe der Methanfermentation bei der Erstbefüllung mit an die Verwertung lignocellulosehaltigen Einsatzstoffe adaptierte mesophilen Methanbakterien-Mischkulturen beimpft werden, wobei diese Kultur im Fermentersystem dauerhaft erhalten bleibt, wenn keine markanten Qualitätsänderungen beim Einsatzstoffcocktail vorgenommen werden.
Außerdem erfordert die erfindungsgemäße technische Lösung, dass zumindest die in der Hauptfermenterstation erzeugten Biogase einer biologischen Entschwefelungskolonne zur Gewinnung einer Biosäure zugeführt werden.
Diese Biosäure dient in erster Linie als Waschflüssigkeit bei der Hemmstoffentfrachtung der in die Suspendierung einzusetzenden Biofiltrate aus der Phasentrennung der Gärreste. Überschüssige Biosäuremengen werden zur Förderung der hydrolytischen Behandlung der erzeugten Biosuspensionen eingesetzt.
Mit der erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Lösung ist es nun möglich, die für die stoffliche und energetische Verwertung von so genannten Nachwachsenden Rohstoffen in Form von Energiepflanzen und pflanzlichen Futtermitteln einschränkungslos, also ohne Preisgabe der wirtschaftlichen Anreize (Boni) für den Einsatz Energiepflanzen (NAWARO-Bonus) und tierischen Exkrementen (Gülle-Bonus), weiter zu betreiben und dabei vollständig auf Abfallbiomassen aus der landwirtschaftlichen Pflanzen- und Tierproduktion als Einsatzstoffe zurückgreifen zu können. Mit der veränderten Betriebsweise werden nicht nur wirtschaftliche sondern auch ackerbauliche, umwelttechnische und ethische Verbesserungen erreicht. Die Reduzierung des Mengendurchsatzes der Bioenergieanlage bei unveränderter oder bis zur Genehmigungsgrenze erhöhten energetischen Leistung führt zur Verminderung der Transportanforderungen sowohl für die Einsatzstoffzufuhr als auch für die Gärrestabfuhr. Die nicht mehr für die Energiepflanzenproduktion benötigten Ackerflächen können für die zusätzliche Marktfruchtproduktion genutzt werden. Die optimale Fruchtfolgeplanung steht nicht mehr unter der Einschränkung der unverzichtbaren Energiepflanzenproduktion. Die Gärreste mit einer deutlich höheren Dichte an Pflanzennährstoffen können mit einer deutlich geringeren mechanischen Bodenbelastung der Anbauflächen bei den Düngungskampagnen ausgebracht werden.
Der in einigen Regionen zu verzeichnende Nährstoffüberschuss, der zu transportaufwändigen Exkremente- und/oder Gärrestexporten zwingt, wird zumindest in Höhe der zusätzlichen Marktfruchtproduktion wegen des damit verbundenen Nährstoffexportes reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden den biologisch aktiven Abfallbiomassen, beispielweise unzureichend trockenem Mais- oder Rapsstroh bei der Einlagerung an sich bekannte Silierhilfs- und/oder Konservierungsmittel zugesetzt. Bei dieser Variante steht für die Suspendierstufe ein Siliergut mit Trockensubstanzgehalten zwischen 35 und 50% zur Verfügung. Dieses Siliergut wird ebenso, wie ausreichend trockene lignocellulosehaltige Abfallbiomassen, beispielweise gehäckseltes Weizenstroh, mittels bekannten Zerkleinerungsgeräten auf Stückgrößen vom maximal 10 mm zerkleinert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zumindest Anteile der Abfallbiomassen vor dem Einsatz in die Suspendierstufe einem thermomechanischen Aufschluss zu unterziehen, beispielsweise durch den Einsatz von an sich bekannten Aufschlussextrudern. Dem derart vorbehandelten Einsatzgut wird in der Suspendierstufe zur Gewinnung einer Biosuspension mit einem Trockensubstanzgehalt zwischen 12 und 18% Prozessflüssigkeit zugesetzt. Dazu werden am Anlagenstandort verfügbare Flüssigkeiten, wie Jauche, Gülle, Sickersäfte, Reinigungswässer oder belastetes Oberflächenwasser, in erster Linie jedoch Biofiltrate aus der Phasentrennung der erzeugten Gärreste, eingesetzt. Zur Vermeidung von Überlastungen des Hemmstoffentfrachtungsprozesses werden die genannten Prozessflüssigkeiten getrennt von den zu behandelnden Biofiltraten in Speichertanks bevorratet. In diesem Hemmstoffentfrachtungsprozess selbst werden im Wesentlichen durch Temperaturerhöhung bis auf 60°C, bei Durchmischung mit Inertgas und durch Anlegen eines Unterdrucks zwischen 10 und 100 mbar dem eingesetzten und insbesondere ammoniumhaltigen Biofiltrat Wrasen entzogen, die überwiegend Ammoniak und Schwefelwasserstoff enthalten. In einem Kreuzstromwärmetauscher werden die gewonnenen Wrasen abgekühlt und anschließend mit auf weniger als 30°C abgekühlte Biosäure beim Durchströmen eines Rieselbettapparates gewaschen.
Die als Biosäure mit einem pH-Wert von weniger als 2,0 eingesetzte schweflige Säure wird prozessintern bei der aeroben Entschwefelung zumindest eines Teilstroms des gewonnenen Biogases erzeugt und zum Zwecke der Prozessentkopplung in einem Biosäuretank gestapelt.
Ein Teil der Stickstoff- und Schwefelverbindungen wird auf diese Weise dem Prozess entzogen, indem die verbrauchte Waschflüssigkeit regelmäßig dem Wrasenwäscher der Hemmstoffentfrachtungsstation entzogen und als stickstoff- und schwefelhaltiges Düngekonzentrat gemeinsam mit der festen Phase aus der Phasentrennung der Gärreste oder als Flüssigdünger eingesetzt wird. Damit wird trotz wiederholter Rückführung der Biofiltrate in die Suspendierstufe des Prozesses eine Aufkonzentration von Ammonium und Schwefelwasserstoff im Gärsubstrat bis auf für die eingesetzten Mikrokulturen toxische Konzentrationen sicher vermieden.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, die Biosuspension aus den zerkleinerten und vorbehandelten Einsatzstoffen und Biofiltrat, das aus den anfallenden Fermentationsrückständen gewonnen wurde, vor der anaeroben Behandlung in der Fermentationsstufe des Prozesses einer hydrolytischen Vorbehandlung zuzuführen. Hierbei wird bei einer Prozesstemperatur zwischen 45 und 60°C unter dosierter Luftzuführung eine aerobe Prozess in Gang gesetzt und über einen Zeitraum von 30 bis 50 Stunden aufrechterhalten. Die hierbei entstehenden Hydrolysate enthalten mm Anteile an zumindest teilweise aufgebrochenen lignocellulosischen Strukturen, die dem anschließenden anaeroben Fermentationsprozess zugänglich sind. Die regelmäßig oberhalb der optimalen Temperaturen für mesophile oder thermophile Bakterienkulturen liegende Temperatur des anfallenden Hydrolysates kann vorteilhafterweise zur Steuerung der Prozesstemperatur in der ersten Fermentationsstufe genutzt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufrechterhaltung des aeroben Milieus im Hydrolyseprozess nicht Umgebungsluft, sondern Sauerstoff eingesetzt wird. Sofern dieser Sauerstoff elektrolytisch aus der Zerlegung von Wasser gewonnen wird, bildet der parallel dazu anfallende Wasserstoff die Möglichkeit der Direkteinleitung in den Fermentationsprozess, wo er zur Bindung überschüssiger Kohlendioxidmengen zu Methan und damit zur Qualitätsverbesserung des anfallenden Biogases beiträgt. Eine solche spezifische Form der erfindungsgemäßen Lösung ist immer dann von Vorteil, wenn aus den Biogasen Biomethan ohne den störenden molekularen Stickstoff aus dem Einsatz von Umgebungsluft gewonnen werden soll.
Für die zweite Fermentationsstufe können sowohl hydraulisch teildurchmischte als auch volldurchmischte Rührfermentersysteme genutzt werden.
Damit wird ermöglicht, die in bestehenden Anlagen vielfach verbauten Rührfermenter für die Realisierung dieser Prozessstufe unverändert folgenutzen zu können. Während in der ersten Fermentationsstufe eine an die Verwertung lignocellulosischer Einsatzstoffe weitgehend adaptierte mesophile Mikrokultur eingesetzt wird, kann auch vorgesehen werden, die weniger stark durch Schwankungen in den zugeführten Einsatzstoffgemischen ausgeprägten Gärsubstrate, die die erste Fermentationsstufe verlassen, in der zweiten Fermentationsstufe mit Hilfe weniger robuster, jedoch oft leistungsfähigerer thermophiler, Mikrokulturen zu behandeln.
Zur deutlichen Verlängerung der Mindestaufenthaltszeit der Gärsubstrate im anaeroben Milieu ist es auch möglich, bei Verfügbarkeit von wenigstens zwei Fermenter in der zweiten Fermentationsstufe, diese Nachfermentation batchweise durchzuführen. Dabei wird der Fermenter mit der jeweils längsten Behandlungszeit des enthaltenen Gärsubstrates erst dann mit einer konzentrierten Pumpaktion entleert, wenn wegen des Erreichens des Maximalfüllstandes des oder der anderen Nachfermenter eine neue Gärraumkapazität benötigt wird. Bei üblichen Behälterabmessungen verlängert sich dadurch die Mindest-Fermentationszeit von wenigen Stunden allein bei der Nachfermentation auf Zeiten zwischen 20 und 40 Tage. Dadurch wird der Umsetzungsgrad des biogenen Kohlenstoffs im Gärsubstrat zu energiereichem Biogas deutlich verbessert.
Im Falle der Nutzung unterschiedlicher Mikrokulturen in den beiden Fermentationsstufen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die einzelnen Nachfermenter jeweils nur um maximal 80% des Füllvolumens zu entleeren, damit die aktive Mikrokultur erhalten bleibt und sich durch den Eintrag von Gärsubstrat aus der ersten Fermentationsstufe erneut unbeeinträchtigt vermehren kann.
Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung trägt der oft anzutreffenden Beschaffenheit vorhandener Biogasanlagen im landwirtschaftlichen Bereich Rechnung. Dort sind die die offenen Rührbehälter unabhängig davon, ob sie als Fermenter oder Gärrestlager betrieben werden, mit flexiblen gasspeichernden Abdeckungen ausgestattet. Zur biologischen Grobentschwefelung der anfallenden Biogase wird zumindest den als Fermenter genutzten Rührbehältern Umgebungsluft zudosiert. Das führt zur Bindung des im Rohbiogas enthaltenen Schwefelwasserstoffs in nichtflüchtige Schwefelverbindungen.
Dieses Schwefelpotential steht damit für die Nutzung als Prozesschemikalie nicht mehr zur Verfügung.
Deshalb ist vorgesehen, wenigstens das in der zusätzlichen ersten Fermentationsstufe anfallende Rohbiogas nach der Entschwefelung in aerob betriebener Rieselkörpertechnik gemeinsam mit dem die zweite Fermentationsstufe verlassenden Biogas einem oder mehreren Gasspeichern zuzuführen. Vorteilhafterweise werden dazu Doppelmembrangasspeicher genutzt, die gleichzeitig der gasdichten Abdeckung der Gärrestlager dienen. Dieser Gasspeicherkapazität werden dann die energetisch zu verwertenden Gasmengen entnommen, wobei sie einer Feinentschwefelung, Trocknung und/oder Verdichtung unterworfen werden.
Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht

– aus wenigstens einem Lager für die biogenen Einsatzstoffe,
– aus wenigstens einer Einrichtung zum Suspendieren oder Direkteintragen der Einsatzstoffe,
– aus wenigstens zwei in Reihe geschalteten Methanfermentern,
– aus wenigstens einem zur Abdeckung der Methanfermenter und/oder des Gärrestlagers genutzten Gasspeicher,
– aus wenigstens einem Gärrestlager und
– aus wenigstens einer Verladestation für flüssige Gärreste.

Die Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass den bisher genutzten Anlagenkomponenten ein zusätzlicher Anlagenkomplex zugeordnet ist und dass der zusätzliche Anlagenkomplex wenigstens aus den Komponenten

– Einsatzstoffzerkleinerung,
– Phasentrennstation,
– Biofiltrattank,
– Hemmstoffentfrachtungsstation,
– Suspendierstation,
– Hydrolysestation,
– Hauptfermenterstation,
– Gasentschwefelungsstation und
– Biosäuretank

Ein nicht mehr benötigter Teil von wenigstens 60% des bisherigen Silagelagers ist bei unveränderten energetischen Leistungsanforderungen die standorttechnische Grundlage in Form eines auslaufsicheren Auffangraumes für die zusätzlich anzuordnenden Anlagenkomponenten, während der andere Teil für die Zwischenstapelung von Abfallbiomassen aus der Pflanzenproduktion zur Verfügung steht.
Während in einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung für die Einsatzstoffzerkleinerung eine Einrichtung zur thermomechanischen Behandlung wenigstens von Anteilen der Einsatzstoffe zugeordnet ist, stehen die Vorratsspeicher für evtl. vorhandene wässrige tierische Exkremente, für Sickerwässer aus der Futtermittelsilierung, verschmutzte Reinigungswässer und/oder Niederschlagswässer mit der Suspendierstation in Verbindung. Die Suspendierstation ist auch mit der Station für die Einsatzstoffzerkleinerung verbunden und ist mit Mechanismen für die Herstellung eines homogenen Gemischs aus allen Bestandteilen der Biosuspension ausgestattet.
Für die Ausführungsvariante mit einer erforderlichen Rückführung des bei der Phasentrennung der anfallenden Gärreste erzeugten Biofiltrates in die Suspendierstation steht die Hemmstoffentfrachtungsstation zur Verfügung, die einerseits mit einem Vorratstank für das zu behandelnde Biofiltrat und andererseits mit dem Speichertank für die bei der Gasentschwefelung gewonnenen Biosäure in Verbindung steht.
Vorteilhafterweise ist die Hydrolysestation als belüftbares und beheizbares Rührgefaß aus korrosionsbeständigem Werkstoff ausgebildet, weil infolge der hydrolytischen Behandlung der annähernd neutralen Biosuspension eine pH-Wert-Absenkung bis auf weniger als pH = 4 erfolgt.
Bevorzugt besteht die zusätzlich erforderliche Hauptfermenterstation aus wenigstens einem hydraulisch und lediglich teilweise durchmischten Fermenter, mit dessen hydraulischer Mischenergie das Gärsubstrat trotz der extremen Trockensubstanzgehalte regelmäßig umgewalzt werden kann, ohne dafür besondere elektrische oder mechanische Antriebselemente zu benötigen.
Für die Ausführungsvariante, mit deren Hilfe die zweite Fermentationsstufe batchweise betrieben wird, ist zwischen der zweiten Fermentationsstufe und dem Gärrestlager eine Pumpstation angeordnet, mit deren Hilfe bei regelmäßigen Pumpaktionen eine Umlagerung des Gärrestes aus einem Nachfermenter in das Gärrestlager erfolgen kann. Die für die Gärrestaufbereitung erforderliche Phasentrennstation ist vorteilhafterweise zwischen dem Gärrestlager und dem Biofiltrattank angeordnet.
Der Gasspeicher steht bevorzugt mit Einrichtungen zur energetischen Vor-Ort-Verwertung, einem so genannten Mikrogasnetz und/oder mit Anlagen zur Gewinnung von Biomethan zur Einspeisung in das Erdgasnetz in Verbindung.
Ausführungsbeispiel:
Die Erfindung soll nachstehend mit mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigen
1: das vereinfachte Blockschaltbild einer bestehenden Biogasanlage, die bisher ausschließlich mit Maissilage beschickt wurde;
2: das vereinfachte Blockschaltbild einer bestehenden Biogasanlage, die bisher mit tierischen Exkrementen und mit Futtermittelsilagen beschickt wurde;
3: das vereinfachte Blockschaltbild einer bestehenden Biogasanlage, die für den Einsatz von Abfallbiomassen aus der Pflanzenproduktion umgerüstet wurde;
4: das vereinfachte Blockschaltbild einer bestehenden Biogasanlage, die für den Einsatz von Abfallbiomassen aus der Pflanzenproduktion und aus der Tierproduktion umgerüstet wurde;
5: das vereinfachte Blockschaltbild einer bestehenden Biogasanlage, die für eine maximale spezifische Gasausbeute aus Abfallbiomassen aus der Pflanzen- und/oder Tierproduktion umgerüstet wurde;
Beispiel 1:
Gemäß der 1 und 3 besteht eine Biogasanlage, die ausschließlich mit Ganzpflanzensilagen beschickt wird, aus drei Lagern für die Erzeugung und Zwischenstapelung von Ganzpflanzensilagen 4, die mit einem Sammeltank für anfallende Sickersäfte 5 in Verbindung stehen. Aus den Lager 4 wird das Einsatzmaterial wahlweise dem Feststoffdosierkomplex 7 und/oder der Vorgrube 6 zugeführt.
In die Vorgrube 6 gelangt zur Einstellung eines mittleren Trockensubstanzgehaltes von 8 bis 9% des Gärsubstrates im Durchfluss-Hauptfermenter 9 auch verschmutztes Niederschlagswasser, anfallende Reinigungswässer, beispielsweise aus einer Melkanlage, Biofiltrat aus einer nachgeschalteten Phasentrennstation für anfallende Gärreste und/oder Anteile der mit Trockensubstanzgehalten zwischen 5 und 6% anfallenden Gärreste selbst.
Mit Hilfe der Dosierpumpenstation 8 gelangt das Material aus der Vorgrube 6 in den Durchfluss-Hauptfermenter 9.
In diesen Durchfluss-Hauptfermenter 9 wird die Ganzpflanzensilage aus dem Feststoffdosierkomplex 7 mittels Stopfschnecken direkt eingebracht und dort mit Hilfe eines oder mehrerer mechanischer Rührgeräte innig vermischt und umgewälzt. Bei der in regelmäßigen zeitlichen Abstanden Materialzuführung zum Durchfloss-Hauptfermenter 9 wird ein zur Dosismenge adäquater Mengenstrom, vermindert um die zwischenzeitlich entbundene Gasmenge, ausgetragen und in den Durchfluss-Nachfermenter 10 eingeleitet. Gleichzeit verlasst ein der eingeleiteten Gärsubstratmenge adäquater Mengenstrom, vermindert um die seit der letzten Dosierung im Durchfluss-Nachfermenter 10 entbundene Gasmenge, den Durchfluss-Nachfermenter 10 in Richtung Gärrestlager 11. Das Gärrestlager 11 dient als Vorratsspeicher für den Gärrest, der wahlweise direkt für Düngungszwecke eingesetzt wird, für die Beschickung einer Gärreste-Phasentrennstation 31 vorgesehen ist oder für die Einstellung der benötigten Viskosität des Gärsubstrates im Durchfluss-Hauptfermenter 9 zur Vorgrube 6 zurückgeführt wird. In die Durchflussfermenter 9, 10 wird zum Zwecke der Grobentschwefelung Umgebungsluft zugeführt, mit deren Hilfe aerobe Schwefelbakterien aus der Gasphase flüchtigen Schwefelwasserstoff aufnehmen und zu nichtflüchtigen Schwefelverbindungen und/oder elementarem Schwefel umwandeln. Die drei wichtigsten Prozessbehälter 9, 10, 11 sind mit flexiblen Doppelmembrangasspeichern 12 abgedeckt, die sowohl der Gasspeicherung als auch der Prozessentkopplung zwischen dem biotechnologischen Bereich und Verwertung des Biogases, bestehend aus der Gastrocknungs- und -verdichterstation 14, der Gasfackel 15 und der energetischen Gasverwertungsstation 11, dienen. Im Originalzustand verfügt die Biogasanlage auch über eine dem Gärrestlager nachgeschaltete Gärrest-Verladestation 16.
Im Beispiel besteht die vorhandene Biogasanlage aus einer Vorgrube 6 mit 120 m³ Nutzvolumen, einem Durchfluss-Hauptfermenter 9 mit einem Nutzvolumen von 2.800 m³, einem Durchfluss-Nachfermenter 10 mit einem Nutzvolumen von 1.700 m³ und einem Gärrestlager 11 mit einem Nutzvolumen von ebenfalls 1.700 m³.
Während die Vorgrube 6 eine befahrbare Decke besitzt, sind die drei anderen Prozessbehälter 9, 10, 11 mit Doppelmembrangasspeichern 12 ausgestattet, die zusammen ein maximales Gasspeichervolumen von 7.000 m³ besitzen. Als Einsatzstoffe werden jährlich etwa 7.000 t Maissilage mit einem Trockensubstanzgehalt von 32% und mit 95% organischem Anteil an der Trockenmasse eingesetzt. Die mittlere Trockensubstanz des Gärsubstrates im Durchfluss-Hauptfermenter 9 in Höhe von maximal 9% wird durch das Vermischen der Maissilage in der Vorgrube 6 mit verschmutzten Niederschlagswasser von den befestigten Betriebsflächen, mit Sickersaft aus dem Sammeltank für Sickersäfte 5, der mit dem Lager für die Ganzpflanzensilagen 4 in Verbindung steht, und mit Gärrest mit einer durchschnittlichen Trockensubstanz von 5,5% aus dem Gärrestlager 11 eingestellt. Der biotechnologische Prozess in den Fermentern 9, 10 wird mit Hilfe von mesophilen Kulturen bei einer mittleren Temperatur des Gärsubstrates von 39°C geführt. Der Energieinhalt des gewonnenen Biogases mit mittleren Methangehalten von 53 V-% beträgt 8.050 MWh/a. Nach der Ergänzung der Anlage mit dem Ziel der Vermeidung des Einsatzes von Futtermitteln sind zusätzlich zum vorhandenen Anlagenbestand in einem nicht mehr für die Energiemaissilierung benötigten Teil des Lagers für Ganzpflanzensilagen (4) die folgenden Anlagenkomponenten angeordnet:

– die Gärreste-Dosierstation 30,
– die Gärreste-Phasentrennstation 31,
– das Düngemittellager und die Düngemittelverladestation 32,
– der Biofiltrattank 22,
– die Zerleinerungsstation für die Abfallbiomassen 19,
– die Suspendierstation 21,
– die Hemmstoffentfrachtungsstation 23,
– der Oberflächen- und Prozesswassertank 24,
– die Hydrolysestation 25,
– der zusätzliche hydraulisch gemischte Hauptfermenter 26,
– die Gasentschwefelungsstation 27 und
– der Biosäuretank 28.

Die Einbindung der zusätzlichen Anlagenkomponenten in die vorhandene Anlage erfolgt derart, dass ein Teil der bisher für die Herstellung und Lagerung von Ganzpflanzensilagen genutzten Kapazitäten 4 für die witterungsgeschützte Lagerung gehäckselter und trockener Abfallbiomassen aus der Pflanzenproduktion 18, im beschriebenen Beispiel Rapsstroh, eingesetzt wird. Von dort werden die benötigten Dosismengen für jeweils einen Tag entnommen und einer Zerkleinerungsstation für Abfallbiomassen aus der Pflanzen- und/oder Tierproduktion 18 in Form einer Hammermühle zugeführt. Der Austrag der Hammermühle gelangt unmittelbar in eine thermomechanische Behandlungsstation 20 in Form eines zerfasernden Doppelschneckenextruders.
Das thermomechanisch behandelte Material aus dieser Station 20 wird direkt in die Suspendierstation 21 eingetragen.
Dort wird es unter Einsatz von Sickersäften aus dem Sammeltank 5, von Prozesswässern aus dem Oberflächen-/Prozessabwassertank 24 und/oder von Biofiltrat aus der Hemmstoffentfrachtungsstation 23 suspendiert. Dabei wird ein mittlerer Trockensubstanzgehalt der erzeugten Biosuspension zwischen 15 und 18% angestrebt. Die daraus resultierende Thixotropie der erzeugten Biosuspension gewährleistet eine wirksame Hemmung der Entmischung der Suspension bei Mischungspausen,
obwohl ein beachtlicher Anteil leichter und in dünnflüssigen Medien zur Ausbildung von Schwimmschichten neigender Pflanzenfasern und ebenfalls Anteile von in dünnflüssigen Medien zur Ausbildung von Sedimenten neigender mineralischer Anteile in der Biosuspension enthalten sind. Der weitere und entscheidende Vorteil der Handhabung einer Biosuspension mit mehr als
15% Trockensubstanzgehalt besteht in der hohen Konzentration organischer Trockenmasse, die im Falle gleicher Fermentergrößen gegenüber der Trockenmasse in üblichen Biosuspensionen mit 8 bis 10% Trockensubstanzgehalt deutlich verlängerten Behandlungszeiten im anaeroben Milieu ausgesetzt ist.
Die jeweils gewählte Tagesdosis an Biosuspension für die Auslastung der genehmigungsseitig begrenzten Anlagenleistung wird in einem oder in mehreren Rationen in die der Suspendierstation 21 nachgeschalteten Hydrolysestation 25 gepumpt. Das Nutzvolumen dieser Station 25 ist so gewählt, dass die mittlere Behandlungszeit der eingetragenen Biosuspension etwa 2 Tage beträgt. Zur Aufrechterhaltung eines aeroben Milieus in diesem Prozessbehälter wird der Hydrolysestation 25 Umgebungsluft in einem Mengenstrom zugefördert, der wenigstens 2 Vol.-% des im zusätzlichen hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 erzeugten Biogasvolumenstromes entspricht. Das entstehende Hydrolysegas enthält neben Sauerstoff und Stickstoff aus der zudosierten Umgebungsluft geruchsintensive Dämpfe kurzkettiger Fettsäuren, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und auch geringe Mengen an Ammoniak.
Zwischen der Hydrolysestation 25 und der Gasentschwefelungsstation 27 besteht eine Rohgasleitung, die mit einem Überdruck von maximal 50 mbar betrieben wird. In diese Leitung wird das anfallende Hydrolysegas mit Hilfe eines zur Hydrolysestation 25 gehörenden Gasdruckerhöhungsgebläses eingeleitet.
Der Hydrolysestation 25 wird die täglich zu verwertende Biosuspensionsmenge in wenigstens vier annähernd gleichen Teilmengen im zeitlichen Abstand von 6 Stunden entnommen und mittels Dosierpumpe dem hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 zugeführt.
Bei der Inbetriebnahme ist dieser Hauptfermenter 26 mit einer besonders für die Verwertung lignocellulosereicher Einsatzstoffe adaptierte mesophile Startkultur ausgestattet worden.
Das im hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 anfallende Biogas wird mit dem Eigendruck des Gases in die Rohgasleitung zwischen der Hydrolysestation 25 und der Gasentschwefelungsstation 27 gefördert. Mit der Gasentschwefelungsstation 27, die als Rieselkörperapparat ausgebildet ist, wird mittels aerober Schwefelbakterien der im Rohgas enthaltene Schwefelwasserstoff gebunden und als nichtflüchtige Schwefelverbindung in die Waschflüssigkeit überführt.
Dabei wird bei Erfordernis unter Berücksichtigung des bereits im Hydrolysegas enthaltenen Sauerstoffs weitere Umgebungsluft dem Rohgas zugemischt, damit eine Mindestkonzentration von wenigstens 2 Vol.-% Sauerstoff im entschwefelten Biogas enthalten ist.
Das in der Gasentschwefelungsstation 27 behandelte Gasgemisch aus dem Hydrolysegas der Hydrolysestation 25 und dem Biogas aus dem hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 gelangt anschließend in das System der zusammenwirkenden Doppelmembrangasspeicher 12, mit denen die bisherigen Durchfluss-Hauptfermenter 9, Durchfluss-Nachfermenter 10 und Gärrestlager 11 ausgestattet sind. Unter den dort herrschenden anaeroben Fermentationsbedingungen kommt es zur Einbindung der noch verbliebenen energiereichen Gasbestandteile des Hydrolysegases in das überwiegend aus Methan, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Sauerstoff bestehende Biogas-Luft-Gemisch.
Die aus dem Rieselkörperapparat der Gasentschwefelungsstation 27 als Waschflüssigkeit ausgetragene schweflige Säure wird als Biosäure in den Biosäuretank 28 geleitet und durch eine stickstoff-, phosphor- und kaliumhaltige wässrige Nährlösung ersetzt. Die Nutzung der Biosäure als anfallende Prozessflüssigkeit erspart den Einsatz von Phosphor- oder Schwefelsaure als erforderliche Reagenz für die Bindung des in der Hemmstoffentfrachtungsstation 23 ausgetriebenen Ammoniakgases. Das den hydraulisch gemischten Hauptfermenter verlassende Gärsubstrat gelangt nun in den als Nachfermenter 1 genutzten Durchfluss-Hauptfermenter 9 und von diesem in den als Nachfermenter 2 genutzten Durchfluss-Nachfermenter 10. Die beiden nun als Nachfermenter betriebenen Fermenter werden mit der unveränderten maschinellen Ausstattung betrieben.
Beim Beschicken des Durchfluss-Hauptfermenters 9 wird gleichzeitig eine adäquate Gärrestmenge, vermindert um die in der nunmehrigen Nachfermenterstation 9, 10 gebildeten Gasmenge, in das Gärrestlager 11.
Das Gärrestlager 11 fungiert dabei nicht nur als Stapelbehälter für die anfallenden Gärreste, sondern stellt zugleich die Voraussetzung für die Prozessentkopplung zwischen Fermentation 26, 9, 10 und Gärreste-Phasentrennstation 31 dar.
Die Gärreste-Phasentrennstation 31 enthält einen Pressschneckenseparator und einen nachgeschalteten Dekanter. Damit wird ein Presskuchengemisch mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von 32% und ein Biofiltrat mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von 3,5% gewonnen.
Während das Presskuchengemisch als organischer Schwefel-Phosphorkalium-Schwefeldünger mit hoher Nährstoffkonzentration in das Düngemittellager- und -verladestation 32 eingelagert wird, gelangt das Biofiltrat in den Biofiltrattank 22.
Der Biofiltrattank 22 dient sowohl der Prozessentkopplung zwischen der Gärreste-Phasentrennstation 31 und der Hemmstoffentfrachtungsstation 23 als auch der Bevorratung von ausreichenden Biofiltratmengen für die Suspendierstation 21.
Die der Suspendierstation 21 zuzuführenden Biofiltratmengen werden grundsätzlich über die Hemmstoffentfrachtungsstation 23 geführt. Dort erfolgen in erster Linie die Entbindung von Ammoniak im so genannten Austreiber und das Einbinden des Ammoniaks in das Waschmedium des nachgeschalteten Wrasenwäschers. Dazu wird die Biosäure aus dem Biosäuretank 28 als Waschflüssigkeit eingesetzt, mit deren Hilfe die Ammoniakanteile aus den im Austreiber gewonnenen Wrasen als nichtflüchtige wässrige Ammoniumsulfatlösung in die Waschflüssigkeit gelangen. Während des Eintrages von Stickstoffverbindungen in die Waschflüssigkeit wird deren pH-Wert stetig erhöht. Bei Erreichen eines pH-Wertes von 4,5 wird ein Anteil der verbrauchten Waschflüssigkeit als stickstoff- und schwefelhaltiges Düngerkonzentrat ausgetragen und in die Düngemittellager- und -verladestation 32 gepumpt. Sodann wird die Waschflüssigkeit im Wrasenwäscher der Hemmstoffentfrachtungsstation 23 durch Biosäure mit einem pH-Wert von 1 bis 2 aus dem Biosäuretank 28 bis zum Nennfüllstand aufgefüllt.
Nun wird die ergänzte Anlage mit jährlich 2.000 t Maisstroh, 1600 t Hähnchenmist und 3.000 t Rindergülle als Inputstoffe betrieben. Der biotechnologische Prozess wird in der zusätzlichen Hydrolysestation bei einer mittleren Temperatur von 58°C und im anaerob betriebenen hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 sowie im als Nachfermenter 1 betriebenen Durchfluss-Hauptfermenter 9 und im als Nachfermenter 2 betriebenen Durchfluss-Nachfermenter 10 Hilfe von mesophilen Kulturen bei einer mittleren Temperatur des Gärsubstrates von 39°C geführt. Der Energieinhalt des nun gewonnenen Biogases mit mittleren Methangehalten von 63 V-% betragt 9.430 MWh/a.
Beispiel 2:
Gemäß der 2 und 4 wird eine Biogasanlage sowohl in Verbindung mit einer Milchviehanlage als auch durch den Direkteinsatz von Maissilage betrieben, die auch anteilig für die Tierfütterung eingesetzt wird. In der Stallanlage 1 fällt neben Festmist aus der Kälberaufzucht auch Rindergülle an. Der Festmist wird dem Lager für feste tierische Exkremente 2 und die Rindergülle dem Lager für flüssige tierische Exkremente 3 zugeführt. Diese Biogasanlage wird wie im Beispiel 1 umgerüstet.
Die flüssigen tierischen Exkremente werden nun parallel mit den anfallenden Sickersäften aus dem Lager für Ganzpflanzensilagen 4 über den Sammeltank für Sickersäfte 5 gemeinsam mit anfallendem Niederschlagwasser aus dem Oberflächen- und Prozesswassertank 24 der Vorgrube 6 direkt zugeführt. Zusätzlich wird das benötigte Biofiltrat aus dem Biofiltrattank 22 über die Hemmstoffentfrachtungsstation 23 der Vorgrube 6 zudosiert. Die festen tierischen Exkremente werden dem Lager für feste tierische Exkremente 2 entnommen und gemeinsam mit Maisstroh aus dem Lager für trockene Ernterückstände 18 der Zerkleinerungsstation 19 aufgegeben. Das Zerkleinerungsgut gelangt zunächst zur thermomechanischen Behandlungsstation für vorzerkleinerte Abfallbiomassen aus der Pflanzen- und/oder Tierproduktion 20 und anschließend in die Suspendierstation 21. Der weitere Verfahrensablauf erfolgt wie im Beispiel 1.
Mit Hilfe der in 2 gekennzeichneten Anlage wird aus jährlich
4.850 t Maissilage,
720 t Getreide,
6.660 t Rindermist und
15.000 t Rindergülle
Biogas mit einem Heizwert von 13.400 MWh gewonnen.
Die gemäß 4 umgerüstete Anlage ermöglicht es nun, aus jährlich
5.000 t Rapsstroh,
5.000 t Geflügelmist,
4.500 t Rindermist und
2.000 t Rindergülle
Biogas mit einem Heizwert von 17.700 MWh zu erzeugen.
Beispiel 3:
Gemäß der 5 wird eine Biogasanlage wie im Beispiel 2 umgerüstet. Allerdings wird nun auf den Einsatz von flüssigen tierischen Exkrementen als Abfallbiomasse aus der Tierproduktion verzichtet. Zur Herstellung einer Biosuspension in der Suspendierstation 21 wird ausschließlich feste Abfallbiomasse aus der Pflanzen- und Tierproduktion eingesetzt.
Zusätzlich wird zur Gewinnung einer Biosuspension mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt zwischen 15 und 18% der Suspendierstation aus dem Oberflächen- und Prozesswassertank 24 verschmutztes Niederschlagswasser und Biofiltrat aus der Hemmstoffentfrachtungsstation 23 zugeführt.
Die erzeugte Biosuspension gelangt nach der Behandlung in der Hydrolysestation 25 in den hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26. Das den hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 verlassende Gärsubstrat gelangt nun abwechselnd zunächst in den vor der Umrüstung als Durchfluss-Hauptfermenter 9 betriebenen Nachfermenter 1 und nach dessen Auffüllung in den vor der Umrüstung als Durchfluss-Nachfermenter 10 betriebenen Nachfermenter 2. Das den hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 verlassende Gärsubstrat besitzt noch einen Trockensubstanzgehalt von etwa 10 bis 12%.
Durch die vergleichsweise extrem lange Mindestverweilzeit des Gärsubstrates von nun mehr als 20 Tagen in den batchweise betriebenen Fermentern der Nachfermenterstation 9, 10 stellt sich jedoch in diesen Fermentern ein mittlerer Trockensubstanzgehalt von weniger als 10% ein, wofür die bereits in den Durchflussfermentern 9, 10 installierte Umwälztechnik unverändert ausreichend ist. Spätestens 2 Tage vor dem Erreichen des Nennfüllstandes des nunmehr als Nachfermenter 2 genutzten Nachfermenters 2 erfolgt mittels der nun benötigten Gärreste-Umpumpstation 29 die Überführung des im Nachfermenter 1 nachfermentierten Gärrestes in das Gärrestlager 11.
Das den hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 verlassende Gärsubstrat unterscheiden sich in beachtlichem Maße von dem Hydrolysat aus der Hydrolysestation 25, das dem hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 zugeführt wurde. Die im Hydrolysat enthaltenen kurzkettigen Fettsäuren sowie die Gehalte an Rohfett, Proteinen und Kohlehydraten sind im der Nachfermenterstation 9, 10 zugeführten Gärsubstrat nur noch in Spuren vorhanden. Die an diese Gärsubstratqualität angepasste Mikrokultur, die bei Erfordernis auch im thermophilen Milieu aktiv ist, soll vorteilhafterweise in der Nachfermenterstation 9, 10 erhalten bleiben, weshalb bei den regelmäßigen konzentrierten Umpumpaktionen mittels der Gärreste-Umpumpstation 29 ein Gärrestbestand von wenigstens 20% im teilentleerten Nachfermenter 9, 10 als jeweilige Startkultur erhalten bleibt.
Im Beispiel wird eine zunächst als traditionell betriebene Biogasanlage mit einem Durchfluss-Hauptfermenter 9, einem Durchfluss-Nachfermenter 10 und einem Gärrestlager 11 betrieben. Die beiden Fermentern 9, 10 werden mit einem Nenninhalt von jeweils 1.800 m³ und das Gärrestlager 11 mit einem maximalen Stapelvolumen von 2.500 m³ betrieben.
Das Gärsubstrat besitzt in dieser Konfiguration eine Mindestaufenthaltszeit im Fermentationsbereich vor dem Austrag in das Gärrestlager von weniger als 1 Stunde. Aus täglich 2,5 t Grassilage, 22,5 t Maissilage und 12 t Rindergülle wird unter zusätzlichem Einsatz rückgeführter Gärreste eine Biosuspensionsmenge von 120 m³ erzeugt. Die mittlere Aufenthaltszeit dieses Gärsubstrates im Fermentationsbereich der Anlage betrug 3.600 m³:120 m³/d = 30 d.
Das jährlich erzeugte Biogas besaß einen Heizwert von 11.200 MWh. Die Umrüstung sieht den zusätzlichen Einsatz eines hydraulisch gemischten Hauptfermenters 26 mit einem Nutzvolumen von 2.500 m³ sowie die Nutzung der beiden Durchfluss-Fermenter 9, 10 als batchweise und unter Einsatz thermophiler Mikrokultur betriebene Nachfermenter 1 und 2 vor. Die einzusetzende Biosuspension wird aus jährlich 3.000 t Maisstroh, 4.200 t Hähnchenmist, 4.400 t Rindergülle und 20.100 m³ hemmstoffentfrachtetem Biofiltrat gewonnen. Damit steht eine tägliche Biosuspensionsmenge von 87 m³ zur Verfügung. Das aus der Biosuspension gewonnene Hydrolysat besitzt nur noch ein Volumen von weniger als 85 m³/d.
Diese in der Hydrolysestation 25 erzeugte Inputmenge verweilt im hydraulisch gemischten Hauptfermenter 26 im Mittel 2.500 m³:85 m³/d = 29 d, wegen der erforderlichen Durchströmung des ungemischten Pfropfenbereiches des hydraulisch gemischten Hauptfermenters 26 jedoch wenigstens 9 Tage. Infolge der Gasentbindung im Hauptfermenter 26 beträgt der Gärrestaustrag des Hauptfermenters 26 nur noch maximal 72 m³/d.
Dieses Gärsubstrat gelangt nun in den zuvor teilentleerten Nachfermenter 1, der nun 1.440 m³ Gärsubstrat bis zu seiner vollständigen Füllung aufnehmen kann. Bis zur vollständigen Füllung beträgt die Verweilzeit des eingetragenen Gärsubstrates im Nachfermenter 1 wenigstens 1 d und maximal 1.440 m³:72 m³/d = 20 Tage, mithin im Mittel 10 Tage. Bevor der nun gefüllte Nachfermenter 1 erneut innerhalb einer eintägigen Umpumpaktion in das Gärrestlager 11 teilentleert werden muss, vergehen erneut bis zu 19 Tage, in denen das Gärsubstrat anaerob behandelt und dabei regelmäßig schonend umgewälzt wird. Danach ist der Nachfermenter 2 gefüllt und erfordert das Teilentleeren des Nachfermenters 1.
Die Mindestverweilzeit des Gärsubstrates unter anaeroben Fermentationsbedingungen erhöht sich damit in Verbindung mit der veränderten Nutzung der Anlagenkomponenten von weniger als 1 Stunde
auf wenigstens 9 d + 1 d + 19 d = 29 Tage,
die mittlere Verweilzeit von 30 Tagen
auf 29 d + 10 d + 19 d = 58 Tage.
Das auf diese Weise in der umgerüsteten Biogasanlage jährlich erzeugte Biogas besitzt trotz des Verzichtes auf den Einsatz von Futtermitteln in Form von Mais- und Grassilagen einen Heizwert von 14.900 MWh.
Bezugszeichenliste

1: Stallanlage,
2: Lager für feste tierische Exkremente,
3: Lager für flüssige tierische Exkremente,
4: Lager für Ganzpflanzensilagen,
5: Sammeltank für Sickersäfte,
6: Vorgrube,
7: Feststoffdosierungskomplex,
8: Dosierpumpenstation,
9: Durchfluss-Hauptfermenter,
10: Durchfluss-Nachfermenter,
11: Gärrestlager,
12: Doppelmembrangasspeicher,
13: Gärrest-Verladestation,
14: Gastrocknungs- und -verdichterstation,
15: Gasfackel,
16: energetische Gasverwertungsstation,
17: Auffangraum für Zusatzkomponenten,
18: Lager für trockene Ernterückstände,
19: Zerkleinerungsstation für Abfallbiomassen aus der Pflanzen- und/oder Tierproduktion,
20: Thermomechanische Behandlungsstation für vorzerkleinerte Abfallbiomassen aus der Pflanzen- und/oder Tierproduktion,
21: Suspendierstation,
22: Biofiltrattank
23: Hemmstoffentfrachtungsstation,
24: Oberflächen-/Prozessabwassertank,
25: Hydrolysestation,
26: hydraulisch gemischter Hauptfermenter,
27: Gasentschwefelungsstation,
28: Biosäuretank,
29: Gärreste-Umpumpstation,
30: Gärreste-Dosierstation,
31: Gärreste-Phasentrennstation,
32: Düngemittellager und -verladestation,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004053615 B3 [0007]
DE 102007007131 A1 [0009]
DE 202007019537 U1 [0010]
DE 202008006843 U1 [0011, 0013]
EP 2177280 A2 [0014]
DE 102008015609 A1 [0015]
DE 102008046615 A1 [0019]
DE 102010062624 A1 [0020]
DE 102010010091 A1 [0024]
DE 102011015611 A1 [0025]
DE 102012203148 B3 [0027]

Claims

Verfahren zur Befähigung von Methanfermentationsanlagen zur stofflichen und energetischen Verwertung von lignocellulosehaltigen biogenen Einsatzstoffen durch aufeinanderfolgende Kopplung der Verfahrensstufen – Bevorraten der Einsatzstoffe, – Suspendieren der Einsatzstoffe, – Hydrolysieren der erzeugten Biosuspension, – Methanfermentieren der erzeugten Hydrolysate, – Nachfermentieren der Gärsubstrate aus der Methanfermentation, – Zwischenlagern der Gärreste aus dem Fermentationsbereich, – Phasentrennen der Gärreste, – Einsetzen der Gärreste als organische NPK-Düngemittel, – Trocknen, Entschwefeln und Verdichten der anfallenden Biogase, – energetisches Verwerten der anfallenden Biogase als Bioerdgas oder als Kraftstoff für den Betrieb von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, gekennzeichnet dadurch, dass die Silagelager für das Einlagern und Bevorraten von trockenen lignocellulosehaltigen Ernteresten, wie Getreidestroh, Ölsaatenstroh, Maisstroh, Getreide-, Mais- und Ölsaaten-Reinigungsrückständen genutzt werden, dass die lignocellulosehaltigen Erntereste auf mittlere Stückgrößen von < 10 mm zerkleinert werden, dass in der erzeugten Biosuspension der Trockensubstanzgehalt auf 12 bis 18% eingestellt wird, dass die zerkleinerten Erntereste thermomechanisch aufgeschlossen werden, dass die zerkleinerten und gegebenenfalls thermomechanisch aufgeschlossenen Erntereste unter Einsatz von Biofiltraten suspendiert werden, dass die hydrolytische Behandlung der Biosuspension in einer der Methanfermentation vorgeschalteten Hydrolysestation vorgenommen wird, dass die hydrolytische Behandlung der Biosuspension aerob durchgeführt wird, dass zumindest für die erste Stufe der Methanfermentation hydraulisch und nur teilweise gemischte Methanfermenter eingesetzt werden, dass zumindest die Fermenter der ersten Stufe der Methanfermentation bei der Erstbefüllung mit an die Verwertung lignocellulosehaltigen Einsatzstoffe adaptierte mesophilen Methanbakterien-Mischkulturen beimpft werden und dass zumindest die in der Hauptfermenterstation erzeugten Biogase einer biologischen Entschwefelungskolonne zur Gewinnung einer Biosäure zugeführt werden.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den eingelagerten Abfallbiomassen Silierhilfs- und/oder Konservierungsmittel zugesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Biosuspension eingesetzte Biofiltrat aus der mechanischen Phasentrennung der anfallenden Gärreste einer zumindest den Ammoniumgehalt mindernden Hemmstoffentfrachtung unterworfen wird, dass die schwefelsaure Waschflüssigkeit für die Hemmstoffentfrachtung der zur Herstellung der Biosuspension einzusetzenden Biofiltrate in einer Kolonne für die Schwefelabreicherung der anfallenden Biogase gewonnen und dass die bei der Gasentschwefelung gewonnene schweflige Biosäure in einem Biosäuretank zwischengestapelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aerobe hydrolytische Behandlung der Biosuspension unter Einsatz von Umgebungsluft bei einer Temperatur zwischen 40 und 60°C durchgeführt und dass die erzeugten Hydrolysate zur Temperatursteuerung der nachgeschalteten Methanfermentation genutzt werden.
Verfahren nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hydrolyseprozess anstelle von Umgebungsluft Sauerstoff zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Nachfermentieren teildurchmischte oder volldurchmischte Fermentersysteme genutzt und dass für das Nachfermentieren thermophile Methanbakterien-Mischkulturen eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachfermentieren wenigstens in zwei abwechselnd betriebenen Fermentern batchweise vorgenommen wird, dass die Gärreste aus den Nachfermentern chargenweise in das Gärrestlager umgepumpt werden und dass wenigstens ein Restbestand von wenigstens 5% des Gärsubstrat jeweils im entleerten Nachfermenter erhalten bleibt.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, bestehend – aus wenigstens einem Lager für die biogenen Einsatzstoffe (2, 3, 4) – aus wenigstens einer Einrichtung zum Suspendieren (21) oder Direkteintragen der Einsatzstoffe (7), – aus wenigstens zwei in Reihe geschalteten Methanfermentern (9, 10), – aus wenigstens einem zur Abdeckung der Methanfermenter und/oder des Gärrestlagers genutzten Gasspeicher (12), – aus wenigstens einem Gärrestlager (11) und – aus wenigstens einer Verladestation für flüssige Gärreste (13), dadurch gekennzeichnet, dass den bisher für die Methanfermentation von nachwachsenden Rohstoffen genutzten Anlagenkomponenten ein zusätzlicher Anlagenkomplex vorgeschaltet ist und dass der zusätzliche Anlagenkomplex wenigstens aus den Komponenten – Einsatzstoffzerkleinerung (19), – Phasentrennstation (31), – Biofiltrattank (22), – Hemmstoffentfrachtungsstation (23), – Suspendierstation (21), – Hydrolysestation (25), – Hauptfermenterstation (26), – Gasentschwefelungsstation (27) und – Biosäuretank (28) besteht.
Anordnung nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer unveränderten energetischen Leistungsanforderung an die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anstelle des Lagers für silierte Einsatzstoffe (4) ein auf maximal 40% des bisherigen Lagervolumens verkleinertes Lager für trockene Erntereste (18) angeordnet ist und dass der zusätzliche Anlagekomplex in einem Teil des freigesetzten Einsatzstofflagers (4) angeordnet ist,
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerkleinerungsstation für trockene Ernterückstände (19) eine Einrichtung (20) zur thermomechanischen Behandlung des Einsatzgutes zugeordnet ist, dass die Suspendierstation (21) mit Vorratsspeichern (3, 5) für wässrige tierische Extremente, Sickerwässer aus der Futtermittelsilierung, verschmutzte Reinigungswässer und/oder Oberflächenwässer in Verbindung steht, dass die Suspendierstation (21) mit dem Einarbeiten und Homogenisieren der zerkleinerten Erntereste in das Biofiltrat dienende Mittel ausgestattet ist, dass die Hemmstoffentfrachtungsstation (23) mit einem Speicher (22) für Biofiltrat aus der Station zur Phasentrennung des Gärrestes (31) und einem Biosäuretank (28) für Biosäure aus der biologischen Gasentschwefelung (27) in Verbindung steht, dass die Hydrolysestation (25) als belüftbares und beheizbares Rührgefäß aus korrosionsbeständigem Werkstoff ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptfermenterstation wenigstens aus einem hydraulisch- und teildurchmischten Fermenter (26) besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Nachfermentationsstufe und dem Gärrestlager (11) eine Pumpstation (29) angeordnet ist.