DE102014111287A1 - Process for the production of methane - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur Erzeugung von Methan umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer Biogasanlage mit zumindest einem Fermenter 3, wobei der Fermenter 3 zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr eines Substrats, zumindest eine Vorrichtung für die Abfuhr eines Gärrestes und zumindest einen Auslass für das in dem Fermenter entstehende methan- und kohlendioxidhaltige Biogas aufweist, b) Bereitstellen eines Bioreaktors 14, wobei der Bioreaktor 14 zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr des aus dem Fermenter 3 der Biogasanlage entnommenen Gärrestes, zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr des in dem Fermenter der Biogasanlage entstehenden methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases, zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr von Wasserstoff und zumindest einen Auslass für das in dem Bioreaktor entstehende methanangereicherte Gas aufweist, c) Herstellen von methan- und kohlendioxidhaltigem Biogas in dem Fermenter der Biogasanlage, d) Überführen zumindest eines Teils eines aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommenen Gärrestes in den Bioreaktor 14, e) Überführen des in Schritt c) hergestellten methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases in den Bioreaktor 14, f) Zufuhr von Wasserstoff in den Bioreaktor 14, g) Herstellen von methanangereichertem Gas in dem Bioreaktor 14, wobei während der Bildung des methanangereicherten Gases in dem Bioreaktor neben dem in Schritt d) zugeführten Gärrest kein weiteres Substrat anwesend ist, h) Entnehmen des in dem Bioreaktor 14 gebildeten methanangereicherten Gases aus dem Bioreaktor.The invention relates to a method for producing methane, comprising the steps of a) providing a biogas plant with at least one fermenter 3, wherein the fermenter 3 comprises at least one device for supplying a substrate, at least one device for removing a digestate and at least one outlet for the fermentation b) providing a bioreactor 14, wherein the bioreactor 14 at least one device for the supply of fermentation residue removed from the digester 3 of the biogas plant, at least one device for the supply of the fermenter in the biogas plant resulting methane- and carbon dioxide-containing biogas, at least one device for the supply of hydrogen and at least one outlet for the resulting in the bioreactor methane-enriched gas, c) producing methane and carbon dioxide-containing biogas in the fermenter of the biogas plant, d) transferring at least one Te e) transferring the fermentation residue removed from the fermenter of the biogas plant into the bioreactor 14, e) transferring the methane- and carbon dioxide-containing biogas produced in step c) into the bioreactor 14, f) feeding hydrogen into the bioreactor 14, g) producing methane-enriched gas in the bioreactor 14, wherein no further substrate is present during the formation of the methane-enriched gas in the bioreactor in addition to the fermentation residue fed in step d), h) removing the methane-enriched gas formed in the bioreactor 14 from the bioreactor.
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Methan. The invention relates to a method for producing methane.
Stand der Technik State of the art
Methan besitzt im Rahmen der Energiewende hin zu erneuerbaren Energien eine hohe Bedeutung als chemischer Energieträger mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen Wärmeerzeugung, Kraftstoffe oder Stromerzeugung und stellt bei vorhandener Infrastruktur im Erdgasnetz eine gut speicherbare Energieform dar. Insbesondere in Energieumwandlungssystemen, die nach dem „Power-to-Gas“-Prinzip überschüssigen Strom in gasförmige chemische Energieträger umwandeln, erscheint Methan als geeigneter Energieträger. Methan wird dabei aus den Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugt. Der Wasserstoff wird in diesen Systemen in der Regel durch Elektrolyse von Wasser mit einem Elektrolyseur zur Verfügung gestellt, wobei Überschussstrom oder anderer günstiger Strom verwendet wird. Das notwendige Kohlendioxid für die Methanerzeugung kann aus verschiedenen Quellen wie Industrie- oder Verbrennungsabgasen kommen, bevorzugt wird jedoch klimafreundliches CO2 aus erneuerbaren Quellen wie Biomasse verwendet, wie etwa aus Biogasanlagen. In the context of the energy turnaround towards renewable energies, methane is of great importance as a chemical energy source with a wide range of uses in the areas of heat generation, fuels or power generation and represents a readily storable form of energy for existing infrastructure in the natural gas grid. In particular in energy conversion systems, which to convert the gas into chemical gaseous energy sources, methane appears to be a suitable energy carrier. Methane is generated from the starting materials carbon dioxide and hydrogen. The hydrogen is usually provided in these systems by electrolysis of water with an electrolyzer using excess flow or other convenient stream. The carbon dioxide required for methane production can come from a variety of sources, such as industrial or combustion gases, but preference is given to using climate-friendly CO 2 from renewable sources such as biomass, such as biogas plants.
Im Vergleich zur chemisch katalytischen Methanisierung, beispielsweise nach dem Sabatier-Verfahren, kommen Verfahren zur biologischen Methanisierung, bei denen das Biomethan durch methanogene Mikroorganismen gebildet wird, ohne teure und empfindliche Katalysatoren aus und stellen geringere Anforderungen an Reaktionsbedingungen wie Temperatur und Druck sowie an die Reinheit der Ausgangsgase CO2 und H2. Compared to the chemically catalytic methanation, for example by the Sabatier method come to biological methanation processes in which the biomethane is formed by methanogenic microorganisms without expensive and sensitive catalysts and put less demands on reaction conditions such as temperature and pressure and purity the starting gases CO 2 and H 2 .
Die
Gemäß
Die
Damit eine wirtschaftliche Betriebsweise überhaupt möglich wird, sollte der Bioreaktor eine hohe Methanproduktivität bezogen auf das Reaktorvolumen liefern. Die volumenspezifische Methanbildungsrate (Normkubikmeter Methan pro Kubikmeter Reaktorvolumen pro Tag, Nm3/m3 RVd) sollte mindestens einen Wert von 10 Nm3/m3 RVd, bevorzugt einen Wert von mindestens 30 Nm3/m3 RVd, insbesondere von mindestens 50 Nm3/m3 RVd aufweisen. In order for economic operation to be possible at all, the bioreactor should deliver high methane productivity relative to the reactor volume. The volume-specific methane formation rate (standard cubic meter of methane per cubic meter of reactor volume per day, Nm 3 / m 3 RV d) should be at least 10 Nm 3 / m 3 RV d, preferably at least 30 Nm 3 / m 3 RV d, in particular of at least 50 Nm 3 / m 3 RV d.
Systeme zur anaeroben Vergärung von Biomasse wie z.B. Biogasanlagen erzeugen zwar methanhaltiges Biogas, jedoch wird hier in der Regel kein externer Wasserstoff zugeführt. Der zur Methanproduktion benötigte Wasserstoff wird in Zwischenstufen der Gärungsprozesse wie z.B. Hydrolysestufen gebildet, jedoch von den methanogenen Mikroorganismen sofort wieder verbraucht. Systems for anaerobic digestion of biomass such as e.g. Although biogas plants produce methane-containing biogas, however, no external hydrogen is usually supplied here. The hydrogen needed for methane production is used in intermediate stages of the fermentation processes, e.g. Hydrolysestufen formed, but immediately consumed by the methanogenic microorganisms again.
Das in Fermentern von Biogasanlagen gebildete Biogas enthält neben Methan und weiteren Gasen wie Sauerstoff oder Schwefelwasserstoff, die lediglich in kleiner Konzentration enthalten sind, einen Anteil an Kohlendioxid, der im Bereich von etwa 30 Vol.-% bis 55 Vol.-% liegt. Es bietet sich an, für eine biologische Methanisierung unter Zufuhr von externem Wasserstoff bevorzugt das im Biogas enthaltene Rest-CO2 zu verwenden und so die Methanausbeute deutlich zu steigern. The biogas formed in fermenters of biogas plants contains, in addition to methane and other gases such as oxygen or hydrogen sulfide, which are contained only in small concentrations, a proportion of carbon dioxide which is in the range of about 30 vol .-% to 55 vol .-%. It makes sense to use for a biological methanation with supply of external hydrogen preferably contained in the biogas residual CO 2 and thus to significantly increase the methane yield.
Biogasanlagen zur anaeroben Vergärung von Biomasse weisen in der Regel eine volumenspezifische Methanbildungsrate von etwa 1 Nm3/m3 RVd auf. Bei einem mittleren Rest-CO2-Gehalt des Biogases von ca. 50 % wäre also im besten Fall bei einer biologischen Methanisierung unter Zufuhr von extern gebildetem Wasserstoff eine zusätzliche volumenspezifische Methanbildungsrate von etwa 1 Nm3/m3 RVd zu erreichen. Diese wäre dann möglich, wenn in den Fermentern der Biogasanlage das komplette Rest-CO2 mit zugeführtem Wasserstoff zu Methan umgewandelt werden würde. Methanbildungsraten von 10 Nm3/m3 RVd oder mehr sind in den Fermentern einer Biogasanlage nicht erreichbar. Biogas plants for the anaerobic fermentation of biomass generally have a volume-specific methane formation rate of about 1 Nm 3 / m 3 RV d. With a mean residual CO 2 content of the biogas by about 50% so in a biological methanation under supply of external hydrogen formed an additional volume specific methane formation rate of about 1 Nm 3 / m 3 RV could be reached in the best case d. This would be possible if in the fermenters of the biogas plant, the complete residual CO 2 would be converted with hydrogen supplied to methane. Methane formation rates of 10 Nm 3 / m 3 RV d or more are not achievable in the fermenters of a biogas plant.
Die im Stand der Technik beschriebenen technischen Verfahren und Systeme zur biologischen Methanisierung, die geeignet sind entsprechende Methanbildungsraten zu generieren, nutzen kontinuierlich betriebene Bioreaktoren, die mit Vorkulturen von speziellen methanogenen Mikroorganismen beimpft werden. Diese Vorkulturen wachsen in geeigneten wässrigen Kulturmedien mit einer speziellen Zusammensetzung an Salzen, Nährstoffen und Spurenelementen. The technical processes and systems described in the prior art for biological Methanation, which is suitable for generating corresponding methane formation rates, use continuously operated bioreactors, which are inoculated with precultures of special methanogenic microorganisms. These precultures grow in suitable aqueous culture media with a special composition of salts, nutrients and trace elements.
Damit sich die biologische Methanisierung künftig am Markt etablieren kann, ist es trotz dieser Lösungsansätze notwendig, einfache und kosteneffiziente Systeme zur Verfügung zu stellen, die sich gut in vorhandene Strukturen und Abläufe integrieren lassen, wobei mit möglichst geringem Aufwand und geringen Kosten eine hohe Methanausbeute erreicht werden soll. In order to establish biological methanation on the market in the future, it is necessary, despite these approaches, to provide simple and cost-efficient systems that can be well integrated into existing structures and processes, with high methane yield achieved with the least possible effort and low costs shall be.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, das geeignet ist, unter Verwendung eines CO2-haltigen Gases sowie unter Verwendung von gasförmigen Wasserstoff in effizienter Weise Biomethan zu erzeugen. The invention, as characterized in the claims, the object is to provide a method which is suitable to produce using a CO 2 -containing gas and using gaseous hydrogen in an efficient manner biomethane.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Erzeugung von Methan gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen. This object is achieved by the method for producing methane according to
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Erzeugung von Methan zur Verfügung. Das Verfahren umfasst die Schritte a) Bereitstellen einer Biogasanlage mit zumindest einem Fermenter, wobei der Fermenter zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr eines Substrats, zumindest eine Vorrichtung für die Abfuhr eines Gärrestes und zumindest einen Auslass für das in dem Fermenter entstehende methan- und kohlendioxidhaltige Biogas aufweist, b) Bereitstellen eines Bioreaktors, wobei der Bioreaktor zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr des aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommenen Gärrestes, zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr des in dem Fermenter der Biogasanlage entstehenden methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases, zumindest eine Vorrichtung für die Zufuhr von Wasserstoff und zumindest einen Auslass für das in dem Bioreaktor entstehende methanangereicherte Gas aufweist, c) Herstellen von methan- und kohlendioxidhaltigem Biogas in dem Fermenter der Biogasanlage, d) Überführen zumindest eines Teils eines aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommenen Gärrestes in den Bioreaktor, e) Überführen des in Schritt c) hergestellten methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases in den Bioreaktor, f) Zufuhr von Wasserstoff in den Bioreaktor, g) Herstellen von methanangereichertem Gas in dem Bioreaktor, wobei während der Bildung des methanangereicherten Gases in dem Bioreaktor neben dem in Schritt d) zugeführten Gärrest kein weiteres Substrat anwesend ist, und h) Entnehmen des in dem Bioreaktor gebildeten methanangereicherten Gases aus dem Bioreaktor. The present invention provides a method for producing methane. The method comprises the steps of a) providing a biogas plant with at least one fermenter, wherein the fermenter at least one device for the supply of a substrate, at least one device for the removal of a digestate and at least one outlet for the methane and carbon dioxide-containing biogas produced in the fermenter b) providing a bioreactor, wherein the bioreactor at least one device for supplying the digestate removed from the fermenter of the biogas plant, at least one device for the supply of biogas in the fermenter of the biogas plant resulting methane and carbon dioxide-containing biogas, at least one device for the C) producing methane- and carbon dioxide-containing biogas in the fermenter of the biogas plant, d) transferring at least part of a product removed from the fermenter of the biogas plant Fermentation residue in the bioreactor, e) transferring the methane- and carbon dioxide-containing biogas produced in step c) into the bioreactor, f) feeding hydrogen into the bioreactor, g) producing methane-enriched gas in the bioreactor, wherein during the formation of the methane-enriched gas in the bioreactor has no further substrate present in addition to the digestate fed in step d), and h) removing the methane-enriched gas formed in the bioreactor from the bioreactor.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Hilfe einer Biogasanlage durchgeführt, die durch einen Bioreaktor zur biologischen Methanisierung ergänzt ist. Dieser Bioreaktor wird mit dem in dem Fermenter der Biogasanlage erzeugten methan- und kohlendioxidhaltigen Biogas sowie mit extern erzeugtem Wasserstoff gespeist. Als Substrat in dem Bioreaktor wird ausschließlich Gärrest aus dem Fermenter der Biogasanlage verwendet, wobei bevorzugt der Dünnschlammanteil zum Einsatz kommt. Der Bioreaktor zur biologischen Methanisierung weist vorteilhafterweise ein geeignetes System zur Gaseinbringung in das flüssige Reaktormedium für das CO2-haltige Gas sowie für den Wasserstoff auf. Das gebildete methanangereicherte Gas wird über eine Produktgasleitung aus dem Bioreaktor abgeführt. The inventive method is carried out with the aid of a biogas plant, which is supplemented by a bioreactor for biological methanation. This bioreactor is fed with the methane and carbon dioxide-containing biogas produced in the fermenter of the biogas plant and with externally generated hydrogen. As a substrate in the bioreactor only fermentation residue from the fermenter of the biogas plant is used, wherein preferably the thin sludge fraction is used. The bioreactor for biological methanation advantageously has a suitable system for introducing gas into the liquid reactor medium for the CO 2 -containing gas and for the hydrogen. The methane-enriched gas formed is removed from the bioreactor via a product gas line.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine biologische Methanisierung im Kontext einer Biogasanlage durchgeführt, was mit dem Vorteil verbunden ist, dass in einer Biogasanlage bereits aus vergorener Biomasse entstandenes CO2-reiches Gas als CO2-Quelle für die biologische Methanisierung vorhanden ist. Der CO2-Anteil im Biogas, der in einer Biogasanlage eigentlich als Abfallprodukt anfällt, wird durch die biologische Methanisierung energetisch zu Biomethan aufgewertet, so dass der Gesamtertrag an Methan in der Biogasanlage steigt. Zudem hat sich gezeigt, dass der Bioreaktor, in dem das methanangereicherte Gas gebildet wird, ausschließlich mit dem in der Biogasanlage anfallenden Gärrest als Substrat betrieben werden kann. Dieses eigentlich als „Abfall“ der Biogasanlage anfallende biologische Material wird damit unmittelbar einer weiteren Verwertung zugeführt. With the method according to the invention a biological methanation in the context of a biogas plant is performed, which is associated with the advantage that in a biogas plant already produced from fermented biomass CO 2 -rich gas as CO 2 source for biological methanation is present. The CO 2 content in biogas, which is actually produced as waste product in a biogas plant, is energetically upgraded to biomethane by biological methanation, so that the total yield of methane in the biogas plant increases. In addition, it has been shown that the bioreactor, in which the methane-enriched gas is formed, can only be operated as a substrate with the fermentation residue accumulating in the biogas plant. This biologic material, which is actually produced as "waste" of the biogas plant, is thus immediately sent for further utilization.
Definitionen: definitions:
Biogas: Unter Biogas ist im Folgenden ein Gas zu verstehen, das in einer anaeroben Fermentation in einer Biogasanlage aus Biomasse unter Einwirkung von verschiedenen Mikroorganismen gebildet wird. Es enthält als Hauptbestandteile Methan und Kohlendioxid. Daneben enthält es Wasserdampf und gegebenenfalls kleine Anteile an Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Biogas wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als „methan- und kohlendioxidhaltiges Biogas“ bezeichnet. Biogas: In the following, biogas is understood to mean a gas which is formed in an anaerobic fermentation in a biogas plant from biomass under the influence of various microorganisms. It contains as its main components methane and carbon dioxide. In addition, it contains water vapor and optionally small amounts of hydrogen, nitrogen, oxygen, hydrogen sulfide and ammonia. Biogas is also referred to as "methane and carbon dioxide-containing biogas" in the context of the present application.
Rohbiogas: Mit Rohbiogas wird das Biogas bezeichnet, welches direkt aus einem oder mehreren anaeoben Fermentern der Biogasanlage stammt und nicht durch eine Biogasaufbereitungsanlage weiter aufbereitet wurde. Raw biogas: Raw biogas refers to biogas which originates directly from one or more anaerobic digesters of the biogas plant and not further processed by a biogas upgrading plant.
Biomethan: Unter Biomethan ist im Folgenden ein Methan zu verstehen, das durch die Einwirkung von hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen in einem anaeroben Bioreaktor unter Zufuhr von wasserstoffhaltigem und kohlendioxidhaltigem Gas gebildet wird. Der Begriff Biomethan ist als Abgrenzung zu synthetischem Methan zu verstehen, das bei der chemisch katalytischen Methanisierung gebildet wird. Das gemäß der vorliegenden Erfindung produzierte Biomethan kann neben CH4 auch Anteile aus den in dem Bioreaktor zur Methanisierung eingebrachten Eduktgasen, beispielsweise von nicht umgesetztem Wasserstoff und Kohlendioxid enthalten, so dass es nicht zu 100 % aus Methan bestehen muss. Methan ist jedoch der Hauptbestandteil von Biomethan. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird Biomethan auch als „methanangereichertes Gas“ bezeichnet. Biomethane: By biomethane is meant below a methane, which is formed by the action of hydrogenotrophic methanogenic microorganisms in an anaerobic bioreactor with supply of hydrogen-containing and carbon dioxide-containing gas. The term biomethane is to be understood as a distinction from synthetic methane, which is formed during the chemically catalytic methanation. The biomethane produced in accordance with the present invention can also contain, in addition to CH 4 , fractions from the educt gases introduced into the bioreactor for methanation, for example unreacted hydrogen and carbon dioxide, so that it does not have to be 100% methane. However, methane is the main constituent of biomethane. In the context of the present application, biomethane is also referred to as "methane-enriched gas".
Bioerdgas: Unter Bioerdgas wird ein Methangas verstanden, das nach den jeweils gültigen Richtlinien (in Deutschland beispielsweise DVGW-Richtlinien G260, G262) ins Erdgasnetz eingespeist werden kann und direkt aus Biomasse (einspeisefähiges Biogas) oder in einer biologischen Methanisierung unter Verwendung von CO2 biogenen Ursprungs erzeugt wurde (einspeisefähiges Biomethan). Bio natural gas: Bio natural gas means a methane gas that can be fed into the natural gas grid according to the applicable guidelines (eg DVGW Guidelines G260, G262 in Germany) and biogenic directly from biomass (feedable biogas) or biological methanation using CO 2 Origin (feedable biomethane).
Biomasse: Unter Biomasse im Sinne der Erfindung werden alle Arten von vergärbaren nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, Getreide, Gras, Silphie, Zuckerrüben, aber auch tierische Exkremente wie Rinder- oder Schweinegülle, Pferdemist oder Hühnertrockenkot sowie Bioabfälle oder organische Abfälle aus der Lebensmittelproduktion oder -verarbeitung sowie beliebige Mischungen aus diesen Gärsubstraten verstanden. Biomass: Biomass within the meaning of the invention includes all types of fermentable renewable raw materials such as maize, cereals, grass, silphi, sugar beets, but also animal excrements such as cattle or pig manure, horse manure or dry chicken manure and biowaste or organic waste from food production or processing and any mixtures of these fermentation substrates understood.
Gärrest: Als Gärrest oder Gärrückstand wird der Rückstand an Gärsubstrat bezeichnet, der bei der Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage nach der letzten temperierten Fermenterstufe (z.B. Nachgärer) zurückbleibt. Findet eine Gärresteseparation statt, wird der Gärrest in feste (hoher Trockensubstanzgehalt) und flüssige Anteile (niedriger Trockensubstanzgehalt) aufgetrennt. Ohne Gärrestseparation verbleibt ein Gärrest mit einem Trockensubstanzgehalt (TS-Gehalt), der zwischen dem eines festen und dem eines flüssigen Gärrestbestandteils liegt. Der Gärrest wird in einem Endlager, Gärrestbehälter oder Substratbehälter gelagert. Da auch im Gärrest noch ein Biogasrestpotential vorhanden ist, sind zumindest in neueren Biogasanlagen die Gärrestbehälter gasdicht ausgeführt, so dass entstehendes Biogas ebenfalls abgeführt und der Rohbiogasleitung zugeführt wird. Fermentation residue: The digestate or digestate is the residue of fermentation substrate that remains after fermentation of biomass in a biogas plant after the last temperature-controlled fermenter stage (for example post-fermenter). If a digestate separation takes place, the digestate is separated into solid (high dry matter content) and liquid fractions (low dry matter content). Without digestate separation remains a digestate with a dry matter content (TS content), which lies between that of a solid and that of a liquid digestate component. The digestate is stored in a repository, digestate container or substrate container. Since even in the digestate residual biogas potential is still present, at least in recent biogas plants, the digestate tank gas-tight, so that resulting biogas is also removed and fed to the raw biogas line.
Dünnschlamm: Als Dünnschlamm wird der flüssige Gärrestbestandteil bezeichnet, der nach einer Fest-Flüssig-Separation des Gärrestes, insbesondere durch mechanische Separation erhalten wird. Dünnschlamm kann entweder als Dünger weiterverwendet und so wieder in den Kohlenstoffkreislauf eingebracht werden oder er wird innerhalb der Biogasanlage rezirkuliert und gelangt so erneut in die anaeroben Fermenter zur Biogasgewinnung. Thin sludge: Thin sludge is the liquid fermentation residue component which is obtained after a solid-liquid separation of the digestate, in particular by mechanical separation. Thin sludge can either continue to be used as fertilizer and be reintroduced into the carbon cycle or it is recirculated within the biogas plant and returned to the anaerobic fermenter for biogas production.
Biogasbildung: Unter Biogasbildung wird die Produktion eines Gases mit Methan und Kohlendioxid als wesentlichen Bestandteilen verstanden, die in einem anaerob betriebenen Fermenter einhergehend mit einem Abbau von Biomasse erfolgt und bei der eine Vielzahl von verschiedenen Mikroorganismen sowie unterschiedliche Stoffwechselwege (beispielsweise Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese, Methanbildung) beteiligt sind. Biogas kann in einer einstufigen Biogasanlage in einem anaeroben Fermenter gebildet werden, in mehrstufigen Biogasanlagen jedoch auch in unterschiedlichen Zusammensetzungen in speziellen anaeroben Fermentern wie Hydrolysefermenter, Methanisierungsfermenter oder Nachgärer. Biogas formation: Biogas formation means the production of a gas with methane and carbon dioxide as essential constituents, which occurs in an anaerobically operated fermenter along with a degradation of biomass and in which a multiplicity of different microorganisms as well as different metabolic pathways (for example hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis, Methane formation) are involved. Biogas can be produced in a single-stage biogas plant in an anaerobic fermenter, in multi-stage biogas plants, but also in different compositions in special anaerobic fermenters such as hydrolysis fermenter, methanation fermenter or Nachgärer.
Methanisierung: Unter Methanisierung ist eine Methanbildung ausgehend von den gasförmigen Stoffen Wasserstoff und Kohlendioxid als Eduktgase zu verstehen. Biologische Methanisierung beschreibt die Bildung von Biomethan mit Hilfe von hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen in einem wässrigen Medium. Sie erfolgt nach der chemischen Gleichung: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O. Methanization: Methanation is understood to mean methane formation starting from the gaseous substances hydrogen and carbon dioxide as educt gases. Biological methanation describes the formation of biomethane with the aid of hydrogenotrophic methanogenic microorganisms in an aqueous medium. It follows the chemical equation: 4H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O.
Methanisierungsmedium: Methanisierungsmedium bezeichnet den Reaktorinhalt des Bioreaktors, der geeignet ist, eine biologische Methanisierung durchzuführen. Methanization Medium: Methanization medium refers to the reactor contents of the bioreactor suitable to carry out a biological methanation.
Das Methanisierungsmedium beinhaltet ein komplexes Medium, das sich aus Gärrest aus der Biogasanlage sowie wässrigen Lösungen zur Verdünnung desselben zusammensetzt. Es beinhaltet alle Nährstoffe und Spurenelemente, die für das Wachstum entsprechender hydrogenotropher methanogener Mikroorganismen nötig sind sowie die hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen selbst. The methanation medium includes a complex medium, which is composed of digestate from the biogas plant and aqueous solutions for diluting it. It contains all the nutrients and trace elements necessary for the growth of corresponding hydrogenotrophic methanogenic microorganisms as well as the hydrogenotrophic methanogenic microorganisms themselves.
Bevorzugt erfolgt die Methanbildung in dem Bioreaktor bei einem Druck, der höher als der Atmosphärendruck von ca. 1 bar liegt, wie er in konventionellen Biogasanlagen vorliegt. Besonders bevorzugt liegt der Druck in dem Bioreaktor bei 1 bar bis 30 bar, und insbesondere bevorzugt bei einem Druck von 2 bis 16 bar. Durch den erhöhten Druck wird die Löslichkeit der Gase Wasserstoff und Kohlendioxid bei der Gaseinbringung verbessert, was insbesondere bei Wasserstoff wichtig ist, so dass höhere Methanbildungsraten ermöglicht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nach Schritt c) und vor Schritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schritte e01) Überführen des in Schritt c) hergestellten methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases in einen Verdichter und e02) Verdichten des in Schritt c) hergestellten methanhaltigen Biogases in dem Verdichter auf einen Druck zwischen 1 bar und 30 bar, bevorzugt einen Druck zwischen 2 bar und 16 bar durchgeführt, wobei als Schritt e) der Schritt e) Überführen des in Schritt e02) verdichteten methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases in den Bioreaktor durchgeführt wird. Das methan- und kohlendioxidhaltige Biogas wird in diesem Fall also nicht direkt in den Bioreaktor überführt, sondern zunächst in einen Verdichter geleitet, in dem dann der Druck des Gases auf den im Bioreaktor gewünschten Wert erhöht wird. Preferably, the methane formation takes place in the bioreactor at a pressure which is higher than the atmospheric pressure of about 1 bar, as it is present in conventional biogas plants. Particularly preferably, the pressure in the bioreactor is 1 bar to 30 bar, and particularly preferably at a pressure of 2 to 16 bar. The increased pressure improves the solubility of the gases hydrogen and carbon dioxide in the gas introduction, which is particularly important for hydrogen, so that higher Methane formation rates are possible. According to a preferred embodiment of the present invention, after step c) and before step e) of the process according to the invention, steps e01) transfer of the methane- and carbon dioxide-containing biogas produced in step c) into a compressor and e02) compression of the methane-containing material prepared in step c) Biogas in the compressor to a pressure between 1 bar and 30 bar, preferably a pressure between 2 bar and 16 bar carried out, wherein as step e) the step e) carried out in step e02) compressed methane and carbon dioxide-containing biogas in the bioreactor becomes. The methane- and carbon dioxide-containing biogas is thus not transferred directly into the bioreactor in this case, but first passed into a compressor, in which then the pressure of the gas is increased to the desired value in the bioreactor.
Wie bereits beschrieben dient das methan- und kohlendioxidhaltige Rohbiogas aus den anaeroben Fermentern der Biogasanlage, welches einen CO2-Anteil von ca. 30 % bis 55 % aufweist, als CO2-Quelle für die biologische Methanisierung in dem Bioreaktor. Dieses Rohbiogas kann auch zunächst einer Biogasaufbereitungsanlage zugeführt werden, in der eine Trennung des methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases in ein methanreiches Biogas und ein kohlendioxidreiches Schwachgas erfolgt. Das Schwachgas stellt üblicherweise ein Abfallprodukt der Biogasaufbereitung dar. Insbesondere wenn die Biogasaufbereitung mit den Aufbereitungsmethoden Druckwechseladsorption, Aminwäsche oder nach einem Membrantrennverfahren erfolgt, entstehen CO2-reiche Schwachgase als Restgase, die sehr hohe CO2-Gehalte von über 80 % bis hin zu 99,99 % haben können, also fast reinem CO2 entsprechen. Vorteilhafterweise werden daher nach Schritt c) und vor Schritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schritte c1) Überführen des in Schritt c) hergestellten methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases in eine Biogasaufbereitungsanlage und c2) Trennen des in Schritt c) hergestellten methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases in der Biogasaufbereitungsanlage in ein methanreiches Biogas und ein kohlendioxidreiches Schwachgas durchgeführt und als Schritt e) erfolgt der Schritt e) Überführen des in Schritt c2) erhaltenen kohlendioxidreichen Schwachgases in den Bioreaktor. As already described, the methane- and carbon dioxide-containing crude biogas from the anaerobic fermenters of the biogas plant, which has a CO 2 content of about 30% to 55%, serves as source of CO 2 for the biological methanization in the bioreactor. This raw biogas can also first be fed to a biogas upgrading plant, in which a separation of the methane and carbon dioxide-containing biogas into a methane-rich biogas and a carbon dioxide-rich lean gas. The lean gas is usually a waste product of biogas treatment. Especially when the biogas treatment with the treatment pressure swing adsorption, amine scrubbing or membrane separation takes place, CO 2 -rich weak gases are produced as residual gases, the very high CO 2 levels of over 80% up to 99 , 99% may have, so almost pure CO 2 correspond. Advantageously, after step c) and before step e) of the process according to the invention, steps c1) transfer of the methane- and carbon dioxide-containing biogas produced in step c) into a biogas upgrading plant and c2) separation of the methane- and carbon dioxide-containing biogas produced in step c) the biogas processing plant in a methane-rich biogas and a carbon dioxide-rich lean gas performed and as step e), the step e) converting the carbon dioxide-rich lean gas obtained in step c2) into the bioreactor.
Wie bereits erwähnt erfolgt die Methanbildung in dem Bioreaktor bei einem Druck, der höher als der Atmosphärendruck von ca. 1 bar liegt, wie er in konventionellen Biogasanlagen vorliegt. Aus den bereits genannten Gründen werden daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach Schritt c2) und vor Schritt e) der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Schritte c3) Überführen des in Schritt c2) erhaltenen kohlendioxidreichen Schwachgases in einen Verdichter und c4) Verdichten des in Schritt c2) erhaltenen kohlendioxidreichen Schwachgases in dem Verdichter auf einen Druck zwischen 1 bar und 30 bar, bevorzugt einen Druck zwischen 2 bar und 16 bar durchgeführt und als Schritt e) erfolgt der Schritt e) Überführen des in Schritt c4) verdichteten kohlendioxidreichen Schwachgases in den Bioreaktor. As already mentioned, the methane formation takes place in the bioreactor at a pressure which is higher than the atmospheric pressure of about 1 bar, as is the case in conventional biogas plants. For the reasons already mentioned, therefore, according to a preferred embodiment after step c2) and before step e) of the preferred embodiment described above, the steps c3) transferring the carbon dioxide-rich lean gas obtained in step c2) into a compressor and c4) compressing the gas in step c2) obtained carbon dioxide-rich lean gas in the compressor to a pressure between 1 bar and 30 bar, preferably a pressure between 2 bar and 16 bar performed and as step e), the step e) converting the compressed in step c4) carbon dioxide-rich lean gas into the bioreactor.
Der für die biologische Methanisierung erforderliche Wasserstoff wird bevorzugt durch einen Elektrolyseur erzeugt, der in die aus einer Biogasanlage und einem zusätzlichen Bioreaktor bestehende Anlage integriert ist. Bevorzugt wird der Wasserstoff in dem Elektrolyseur unter Verwendung von Überschussstrom aus dem Stromnetz durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Die Bereitstellung von Überschusstrom übernimmt eine Regelenergiebox, so dass die Anlage zur biologischen Methanisierung in Höhe der Leistung des entsprechenden Elektrolyseurs am Regelenergiemarkt teilnehmen kann. In diesem Fall erfolgt die Bereitstellung von Wasserstoff nicht kontinuierlich, sondern nur in bestimmten unregelmäßigen Zeitintervallen, so dass die Wasserstoffzufuhr in den Bioreaktor zur biologischen Methanisierung diskontinuierlich erfolgt. Alternativ kann auch Wasserstoff aus anderen Quellen wie Hydrolysegas, Synthesegas, Produktgas aus chemischen Reaktionen, H2 biologischen Ursprungs wie z.B. durch Algen produziertes H2 oder H2 aus Photokatalyse zur biologischen Methanisierung eingesetzt werden. The hydrogen required for the biological methanation is preferably generated by an electrolyzer, which is integrated into the system consisting of a biogas plant and an additional bioreactor. Preferably, the hydrogen is generated in the electrolyzer using surplus electricity from the power grid by electrolysis from water. The provision of surplus electricity is provided by a control energy box so that the biological methanation plant can participate in the amount of the capacity of the corresponding electrolyzer in the control energy market. In this case, the supply of hydrogen is not continuous, but only at certain irregular time intervals, so that the hydrogen supply to the bioreactor for biological methanation is discontinuous. Alternatively, hydrogen from other sources such as hydrolysis gas, synthesis gas, product gas from chemical reactions, H 2 biological origin such as produced by algae H 2 or H 2 from photocatalysis for biological methanation can be used.
Um eine effiziente biologische Methanisierung von CO2 und H2 zu Biomethan zu erreichen, wird der Bioreaktor zur biologischen Methanisierung unter Bedingungen betrieben, die sich von den Bedingungen unterscheiden, unter denen in den Fermentern der Biogasanlage das methan- und kohlendioxidhaltige Biogas erzeugt wird. Während die Methanbildung in dem anaeroben Fermenter der Biogasanlage wie meistens üblich im mesophilen Bereich bei Temperaturen bis hin zu 45°C betrieben wird, wird im Bioreaktor zur Herstellung eines methanangereicherten Biogases durch biologische Methanisierung zur besseren Methanausbeute bevorzugt in einem thermophilen Bereich bei Temperaturen oberhalb von 45 °C methanisiert, insbesondere bei Temperaturen von 50 °C bis 100 °C, besonders bevorzugt bei Temperaturen von 60 °C bis 75 °C. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist daher der Bioreaktor eine Temperiervorrichtung auf und die Temperiervorrichtung wird derart betrieben, dass der in dem Bioreaktor vorliegende, aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommene Gärrest auf einer Temperatur T ≥ 45 °C, bevorzugt 50 °C ≤ T ≤ 100 °C, besonders bevorzugt 60 °C ≤ T ≤ 75 °C gehalten wird. In order to achieve efficient biological methanation of CO 2 and H 2 to biomethane, the bioreactor for biological methanation is operated under conditions that differ from the conditions under which the methane and carbon dioxide-containing biogas is produced in the fermenters of the biogas plant. While the methane formation in the anaerobic fermenter of the biogas plant is operated as usual in the mesophilic range at temperatures up to 45 ° C, in the bioreactor for producing a methane-enriched biogas by biological methanation for better methane yield preferably in a thermophilic range at temperatures above 45 ° C methanized, especially at temperatures of 50 ° C to 100 ° C, more preferably at temperatures of 60 ° C to 75 ° C. According to a preferred embodiment of the present invention, the bioreactor therefore has a temperature control device and the temperature control device is operated in such a way that the digestate present in the bioreactor removed from the fermenter of the biogas plant has a temperature T ≥ 45 ° C, preferably 50 ° C ≦ T ≤ 100 ° C, more preferably 60 ° C ≤ T ≤ 75 ° C is maintained.
Der Bioreaktor zur Herstellung eines methanangereicherten Biogases durch biologische Methanisierung kann in Form verschiedener Reaktortypen wie Rührkesselreaktor oder Säulenreaktor ausgebildet sein. Er sollte aus druckfestem und temperaturbeständigem Material gefertigt sein, beispielsweise aus Edelstahl. Im Vergleich zu den anaeroben Fermentern einer Biogasanlage ist das Reaktorvolumen des Bioreaktors zur biologischen Methanisierung deutlich kleiner, beispielsweise in einem Bereich von 1/10 bis 1/100 des Volumens eines Fermenters der Biogasanlage. Der Bioreaktor zur Herstellung eines methanangereicherten Biogases durch biologische Methanisierung wird bevorzugt als nachrüstbare Einheit in eine bestehende Biogasanlage integriert und ist prinzipiell als eigenständiges Modul transportierbar. The bioreactor for producing a methane-enriched biogas by biological methanation may be in the form of various reactor types be designed as stirred tank reactor or column reactor. It should be made of pressure-resistant and temperature-resistant material, such as stainless steel. In comparison to the anaerobic fermenters of a biogas plant, the reactor volume of the bioreactor for biological methanization is significantly smaller, for example in a range of 1/10 to 1/100 of the volume of a digester of the biogas plant. The bioreactor for producing a methane-enriched biogas by biological methanation is preferably integrated as a retrofittable unit in an existing biogas plant and is in principle transportable as an independent module.
Das CO2-haltige Gas aus der Biogasanlage sowie der Wasserstoff für die biologische Methanisierung werden über Zuführleitungen in den Bioreaktor eingebracht. Vorzugsweise werden die beiden Gase bereits vor der Einbringung in den Reaktor in einer Gasmischkammer gemischt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden daher nach Schritt e02) bzw. nach Schritt c4) und vor Schritt e) der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Schritte c5) Überführen des in Schritt e02) bzw. in Schritt c4) verdichteten kohlendioxidreichen Schwachgases in eine Gasmischkammer, c6) Zufuhr von Wasserstoff in die Gasmischkammer und c7) Mischen bei erhöhtem Druck der in den Schritten c5) und c6) in die Gasmischkammer eingebrachten Gase durchgeführt, wobei als Schritte e) und f) der Schritt f1) Überführen der in Schritt c7) erhaltenen Gasmischung in den Bioreaktor erfolgt. The CO 2 -containing gas from the biogas plant and the hydrogen for the biological methanation are introduced via supply lines in the bioreactor. Preferably, the two gases are already mixed prior to introduction into the reactor in a gas mixing chamber. Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, after step e02) or after step c4) and before step e) of the preferred embodiment described above, steps c5) transferring the carbon dioxide-rich lean gas compressed in step e02) or in step c4) into one Gas mixing chamber, c6) supplying hydrogen into the gas mixing chamber and c7) mixing at elevated pressure of the gases introduced into the gas mixing chamber in steps c5) and c6), wherein steps e) and f) are steps f1) transferring in step c7 ) gas mixture is carried into the bioreactor.
Das Volumenverhältnis der beiden dem Bioreaktor zugeführten Eduktgase entspricht prinzipiell einem Verhältnis von H2 zu CO2 von 4:1. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aus dem Bioreaktor entnommenen methanangereicherten Gases kann dieses Verhältnis jedoch in einem Bereich von etwa 3:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 3,5:1 bis 4,5:1 variiert werden, wenn sich ein Restanteil bzw. Überschuss von H2 oder CO2 im methanangereicherten Gas nachweisen lässt. Wird im produzierten methanangereicherten Gas im Vergleich zum H2-Anteil ein höherer Anteil nicht umgesetztes CO2 gemessen, so wird ein stöchiometrisches Verhältnis von H2 zu CO2 von etwas mehr als 4:1 verwendet. Wird im Vergleich zum CO2-Anteil ein höherer Anteil nicht umgesetzter Wasserstoff gemessen, wird ein stöchiometrisches Verhältnis von H2 zu CO2 von etwas weniger als 4:1 verwendet, so dass im optimalen Fall weder H2 noch CO2 im Produktgas neben Methan enthalten sind. In Abhängigkeit vom Vordruck der H2 und CO2-haltigen Eduktgase werden entsprechende Kompressoren oder Druckminderer verwendet, um die Eduktgase auf den im Bioreaktor herrschenden Druck anzupassen. The volume ratio of the two educt gases fed to the bioreactor corresponds in principle to a ratio of H 2 to CO 2 of 4: 1. However, depending on the composition of the methane-enriched gas withdrawn from the bioreactor, this ratio can be varied in a range of about 3: 1 to 5: 1, more preferably in a range of 3.5: 1 to 4.5: 1, if to detect a residual or excess of H 2 or CO 2 in the methane-enriched gas. If a higher proportion of unreacted CO 2 is measured in the produced methane-enriched gas compared to the H 2 content, then a stoichiometric ratio of H 2 to CO 2 of slightly more than 4: 1 is used. If a higher proportion of unreacted hydrogen is measured in comparison to the CO 2 content, a stoichiometric ratio of H 2 to CO 2 of slightly less than 4: 1 is used, so that in the optimal case neither H 2 nor CO 2 in the product gas besides methane are included. Depending on the admission pressure of the H 2 and CO 2 -containing educt gases, appropriate compressors or pressure reducers are used to adapt the educt gases to the pressure prevailing in the bioreactor.
Die Zuführung der H2- und CO2-haltigen Eduktgase erfolgt entweder direkt über Zufuhrleitungen in den Bioreaktor, bevorzugt im unteren Bereich des Bioreaktors oder über eine Gaseinbringung in die Substratzufuhrleitung für den Bioreaktor. The feed of the H 2 - and CO 2 -containing educt gases takes place either directly via supply lines into the bioreactor, preferably in the lower region of the bioreactor or via a gas introduction into the substrate supply line for the bioreactor.
Vorteilhaft wird also die Zufuhr von Wasserstoff in den Bioreaktor und die Zufuhr des methan- und kohlendioxidhaltigen Biogases bzw. des kohlendioxidreichen Schwachgases in den Bioreaktor in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aus dem Bioreaktor entnommenen methanangereicherten Gases so geregelt, dass das molare Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid bei der Zugabe in den Bioreaktor zwischen 3:1 und 5:1 liegt, wobei eine erhöhte Zufuhr von Wasserstoff im Falle eines erhöhten Anteils an Kohlendioxid in dem aus dem Bioreaktor entnommenen methanangereicherten Gas erfolgt und eine erhöhte Zufuhr von methan- und kohlendioxidhaltigem Biogas bzw. von kohlendioxidreichem Schwachgas im Falle eines erhöhten Anteils an Wasserstoff in dem aus dem Bioreaktor entnommenen methanangereicherten Gas erfolgt. Advantageously, therefore, the supply of hydrogen into the bioreactor and the supply of methane and carbon dioxide-containing biogas or carbon dioxide-rich lean gas in the bioreactor depending on the composition of the extracted from the bioreactor methane-enriched gas is controlled so that the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide when added to the bioreactor between 3: 1 and 5: 1, wherein an increased supply of hydrogen in the case of an increased proportion of carbon dioxide in the withdrawn from the bioreactor methane-enriched gas and increased supply of methane and carbon dioxide-containing biogas or of carbon dioxide-rich lean gas in the case of an increased proportion of hydrogen in the withdrawn from the bioreactor methane-enriched gas.
Als besonders geeignete Systeme zur Gaseinbringung haben sich dynamische Mischer, Mehrphasenpumpen (z.B. Edur-Pumpe) sowie Rührwerke, insbesondere Begasungsrührwerke (z.B. Ekato) und Säulenreaktoren erwiesen. Diese Gaseinbringsysteme können mit im Reaktor integrierten Systemen zur Gasfeinverteilung wie Lochplatten, Diffusoren, Sinterwerkstoffe, Membranen kombiniert werden. Damit die Gaseinbringung und -verteilung technisch gut funktioniert, sollte die Viskosität des Fermenterinhalts nicht zu hoch sein. Particularly suitable systems for introducing gas have been found to be dynamic mixers, multiphase pumps (e.g., Edur pumps), and agitators, particularly gassing agitators (e.g., Ekato) and column reactors. These gas injection systems can be combined with reactor-integrated gas fine distribution systems such as perforated plates, diffusers, sintered materials, membranes. In order for the gas introduction and distribution to work well, the viscosity of the fermenter contents should not be too high.
In unerwarteter Weise hat sich gezeigt, dass der Gärrest aus der Biogasanlage in dem Bioreaktor zur Methanisierung ohne große Adaptionen sowohl als Kultur- und Nährmedium für entsprechende methanogene Mikroorganismen als auch als Quelle für die geeigneten hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen dienen kann. Entsprechende optionale Adaptionen beschränken sich auf eine Verdünnung des Gärrestes aus der Biogasanlage durch Zugabe von Wasser oder wässrigen Puffer- oder Salzlösungen mit dem Ziel, dass im Methanisierungsmedium des Bioreaktors ein bestimmter TS-Gehalt erreicht wird. Die Biogasanlage liefert über das zugeführte CO2-haltige Gas also sowohl die CO2-Quelle für den Bioreaktor zur biologischen Methanisierung als auch das Kultur- und Nährmedium sowie die geeigneten hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen, die das gasförmig zugeführte H2 und CO2 zu Biomethan umsetzen. Wird in dem Bioreaktor unter den angegebenen Bedingungen von Druck und Temperatur gasförmiges H2 und CO2 über einen gewissen Zeitraum zugegeben (einige Stunden bis mehrere Tage), vermehren sich geeignete methanogene Mikroorganismen selektiv und beginnen mit der biologischen Methanisierung. Unexpectedly, it has been shown that the fermentation residue from the biogas plant in the bioreactor for methanation without large adaptations can serve both as a culture and nutrient medium for corresponding methanogenic microorganisms and as a source of the appropriate hydrogenotrophic methanogenic microorganisms. Corresponding optional adaptations are limited to a dilution of the digestate from the biogas plant by adding water or aqueous buffer or salt solutions with the aim that in the methanation of the bioreactor, a certain TS content is achieved. The biogas plant supplies via the supplied CO 2 -containing gas so both the CO 2 source for the bioreactor for biological methanation and the culture and nutrient medium and the appropriate hydrogenotrophic methanogenic microorganisms, which convert the gas supplied H 2 and CO 2 to biomethane , If gaseous H 2 and CO 2 are added in the bioreactor under the given conditions of pressure and temperature over a certain period of time (several hours to several days), suitable methanogenic microorganisms multiply selectively and start the biological methanation.
Unerwarteterweise können die Gärreste aus einer mesophil betriebenen Biogasanlage zugleich als Inokulum und Methanisierungsmedium dazu verwendet werden, einen Bioreaktor zur biologischen Methanisierung thermophil zu betreiben. Üblicherweise werden als Inokula für thermophile Fermenter Materialien aus ebenfalls thermophil betriebenen Fermentern verwendet. Um den veränderten Bedingungen in dem Bioreaktor für die biologische Methanisierung gegenüber den Bedingungen in dem konventionellen Fermenter einer Biogasanlage Rechnung zu tragen, wird das Material aus der Biogasanlage gegebenenfalls adaptiert, so dass es als Methanisierungsmedium besser geeignet ist und damit in dem Bioreaktor eine entsprechend hohe volumenspezifische Methanbildungsrate erreicht werden kann. Insbesondere wird der Gehalt an Trockensubstanz durch Zugabe von Wasser oder wässrigen Salz- oder Pufferlösungen angepasst. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dem Bioreaktor Wasser oder eine wässrige Salz- oder Pufferlösung in einer Menge zugeführt, dass der Gehalt an organischer Trockensubstanz in dem Bioreaktor von 0,5% bis 6%, bevorzugt von 1% bis 4%, besonders bevorzugt von 1,5% bis 3,5% beträgt. Besonders bevorzugt werden dem Bioreaktor zusätzlich Spurenelemente zur Anpassung der in dem Bioreaktor herrschenden Lebensbedingungen für die in dem Bioreaktor anwesende Biozönose zugeführt. Unexpectedly, the fermentation residues from a mesophilic biogas plant can also be used as inoculum and methanization medium to thermophilically operate a bioreactor for biological methanation. Usually, materials from thermophilic fermenters are used as inocula for thermophilic fermenters. In order to take account of the changed conditions in the bioreactor for the biological methanation compared to the conditions in the conventional fermenter of a biogas plant, the material from the biogas plant is optionally adapted so that it is better suited as a methanization medium and thus in the bioreactor a correspondingly high volume-specific Methane formation rate can be achieved. In particular, the content of dry matter is adjusted by adding water or aqueous salt or buffer solutions. According to a preferred embodiment, the bioreactor is supplied with water or an aqueous salt or buffer solution in an amount such that the content of organic dry matter in the bioreactor is from 0.5% to 6%, preferably from 1% to 4%, particularly preferably from 1 , 5% to 3.5%. In addition, trace elements for adapting the living conditions prevailing in the bioreactor to the biocenosis present in the bioreactor are particularly preferably fed to the bioreactor.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden dem Bioreaktor neben dem Gärrest aus der Biogasanlage als Substrat ausschließlich Wasser oder wässrige Salz- oder Pufferlösungen zur Anpassung des Gehalts an Trockensubstanz und/oder Spurenelemente zur Anpassung der in dem Bioreaktor herrschenden Lebensbedingungen für die in dem Bioreaktor anwesende Biozönose und/oder methanogene Mikroorganismen in Form von Kulturen oder Animpfsubstraten als Inokulum zugeführt. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the bioreactor in addition to the digestate from the biogas plant as a substrate exclusively water or aqueous salt or buffer solutions to adjust the content of dry matter and / or trace elements to adjust the conditions prevailing in the bioreactor living conditions for in the bioreactor present biocenosis and / or methanogenic microorganisms in the form of cultures or inoculation substrates supplied as inoculum.
Als Substrat für den Bioreaktor zur biologischen Methanisierung eignen sich Gärreste aus jeder Art von Fermenter einer Biogasanlage und insbesondere Gärreste aus einer späteren Gärstufe oder einem Nachgärer, wobei der Gärrest aus einem Endlager, einem Gärrest- oder Substratbehälter besonders bevorzugt wird. Insbesondere bevorzugt wird Dünnschlamm aus einem Gärrestlager mit einem TS-Gehalt (Gehalt an Trockensubstanz gemessen in % w/w) von 0,5 % bis 7 %, bevorzugt von 1 % bis 5 %, insbesondere bevorzugt von 1,5 % bis 3,5 % eingesetzt. Fermentation residues from any type of fermenter of a biogas plant and in particular fermentation residues from a later fermentation stage or a secondary fermenter are suitable as substrates for the bioreactor for biological methanation, the digestate being particularly preferred from a repository, a digestate or substrate container. Particular preference is given to thin sludge from a digestate storage with a DM content (content of dry matter measured in% w / w) of from 0.5% to 7%, preferably from 1% to 5%, particularly preferably from 1.5% to 3, 5% used.
Besonders bevorzugt werden daher nach Schritt c) und vor Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schritte d01) Überführen zumindest eines Teils des aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommenen Gärrestes in einen Gärresteseparator und d02) Trennung des aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommenen Gärrestes in dem Gärresteseparator in einen flüssigen Gärrestbestandteil und einen festen Gärrestbestandteil durchgeführt und als Schritt d) wird der Schritt d) Überführen des in Schritt d02) erhaltenen flüssigen Gärrestbestandteils in den Bioreaktor durchgeführt. Therefore, after step c) and before step d) of the process according to the invention, steps d01) transferring at least part of the fermentation residue removed from the fermenter of the biogas plant into a digestate separator and d02) separation of the fermentation residue removed from the fermenter of the biogas plant in the digestate separator are particularly preferred is carried out in a liquid fermentation residue component and a solid fermentation residue component and, as step d), the step d) converting the liquid fermentation residue component obtained in step d02) into the bioreactor is carried out.
Da der Gehalt an organischer Trockensubstanz (oTS) in entsprechenden Gärresten ca. 50 bis 80 % des TS-Gehalts beträgt, ist der oTS-Gehalt entsprechend niedriger anzusetzen. Unter „Dünnschlamm“ wird der flüssige Anteil des Gärrestes verstanden, der nach dem Abpressen des Gärrestes verbleibt, nachdem die faserhaltigen festen Anteile des Gärrestes entfernt worden sind. Dieses Abpressen wird beispielsweise durch eine Separation mit einer Pressschnecke erreicht. Da bei der Methanisierung pro Mol CH4 jeweils zwei Mol Wasser gebildet werden, wird der Reaktorinhalt bei der biologischen Methanisierung im Laufe der Zeit verdünnt. Entsprechend wird durch eine Zufuhr von Gärrest aus der Biogasanlage mit entsprechendem Trockensubstanzgehalt einem zu starken Absinken des TS-Gehalts entgegengesteuert. Since the content of organic dry matter (oTS) in corresponding digestate is about 50 to 80% of the TS content, the oTS content must be correspondingly lower. "Thin sludge" is understood to mean the liquid fraction of the digestate that remains after the digestate has been pressed off, after the fibrous solid fractions of the digestate have been removed. This pressing is achieved for example by a separation with a press screw. Since in the methanization per mole of CH 4 each two moles of water are formed, the reactor contents are diluted in the biological methanation over time. Accordingly, a supply of fermentation residue from the biogas plant with corresponding dry matter content counteracts an excessive decrease in the TS content.
Im Gegensatz zu Kulturmedien aus dem Stand der Technik werden die aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommenen Gärreste, die als Methanisierungsmedium in dem Bioreaktor verwendet werden und dort gleichzeitig als Inokulum dienen, nicht autoklaviert, da sie hydrogenotrophe methanogene Mikroorganismen, die in dem Bioreaktor die biologische Methanisierung bewirken, zumindest in kleiner Anzahl bereits enthalten. Die hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen werden durch die Bedingungen in dem Bioreaktor wie hohe Temperatur, erhöhter Druck und Zufuhr von lediglich gasförmigen Edukten selektiv angereichert, während andere Mikroorganismen aus dem Gärrest abgereichert werden. Die Gärreste müssen bei entsprechender Handhabung auch nicht erst auf anaerobe Bedingungen gebracht werden, da sie bereits aus einem anaeroben Prozess stammen. Außerdem brauchen die Gärreste nicht synthetisch aus einer Vielzahl von verschiedenen Salzen und Spurenelementen hergestellt werden und es muss kein Reduktionsmittel hinzugefügt werden, was insgesamt eine erhebliche Vereinfachung des Systems mit sich bringt. In contrast to prior art culture media, the fermentation residues taken from the digester of the biogas plant and used as the methanization medium in the bioreactor and simultaneously serving as the inoculum are not autoclaved since they are hydrogenotrophic methanogenic microorganisms which in the bioreactor are the biological methanization effect, at least in small numbers already included. The hydrogenotrophic methanogenic microorganisms are selectively enriched by the conditions in the bioreactor such as high temperature, elevated pressure and supply of only gaseous educts, while other microorganisms are depleted of the digestate. The fermentation residues must not be brought to anaerobic conditions with appropriate handling, since they already come from an anaerobic process. In addition, the fermentation residues need not be synthetically prepared from a variety of different salts and trace elements, and no reducing agent needs to be added, resulting overall in a significant simplification of the system.
Da die Gärreste aus der Biogasanlage auch als Quelle für die hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen dienen, müssen bei einem etablierten Bioreaktor in der Regel keine Kulturen an methanogenen Mikroorganismen zugegeben werden. In bestimmten Situationen, wie beispielsweise dem Anfahren des Bioreaktors nach einer Erst- oder Neubefüllung oder auch nach einem Substratwechsel bei der kommunizierenden Biogasanlage, kann es vorteilhaft sein, methanogene Mikroorganismen in Form von Kulturen oder Animpfsubstraten (Inokulum) hinzuzugeben, um schneller zu einer guten Methanbildungsrate zu kommen. Als Inokulum geeignet ist neben Material, das aus einem entsprechenden Bioreaktor zur biologischen Methanisierung stammt, der mit Material aus der Biogasanlage betrieben wird, z.B. auch Material aus einer Kläranlage (Faulschlamm, Überschussschlamm) oder auch Kulturen von hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen, die in Form von Reinkulturen oder Mischungen von verschiedenen hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen hinzugegeben werden. Since the fermentation residues from the biogas plant also serve as a source for the hydrogenotrophic methanogenic microorganisms, no culture of methanogenic microorganisms must be added in an established bioreactor in the rule. In certain situations, such as the startup of the bioreactor after a first or new filling or after a substrate change in the communicating biogas plant, it may be advantageous to methanogenic microorganisms in the form of cultures or inoculation substrates ( Inoculum) in order to achieve a faster methanogenesis rate more quickly. As inoculum is suitable in addition to material that comes from a corresponding bioreactor for biological methanation, which is operated with material from the biogas plant, for example, material from a sewage treatment plant (digested sludge, excess sludge) or cultures of hydrogenotrophic methanogenic microorganisms, in the form of pure cultures or mixtures of different hydrogenotrophic methanogenic microorganisms are added.
Der Austausch des Bioreaktorinhalts kann sowohl kontinuierlich als auch durch regelmäßigen oder unregelmäßigen batchweisen Austausch von signifikanten Anteilen des Methanisierungsmediums erfolgen. Die Austauschrate des Methanisierungsmediums in dem Bioreaktor ist im Vergleich zu Bioreaktoren mit synthetischen Kulturmedien relativ klein. Der Bioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Austauschraten von weniger als 0,15/d (15 % Austausch pro Tag), bevorzugt von kleiner 0,10/d, insbesondere bevorzugt von weniger als 0,05/d oder von weniger als 0,02/d betrieben. Dabei gelten die Austauschraten für den gesamten Bioreaktorinhalt, also für das „Kulturmedium“ sowie die darin enthaltenen Mikroorganismen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden aus dem Bioreaktor pro Tag maximal 15% der Gesamtmenge des in dem Bioreaktor vorliegenden Gärrestes entnommen, besonders bevorzugt pro Tag maximal 10% der Gesamtmenge, insbesondere bevorzugt pro Tag maximal 5% der Gesamtmenge und ganz besonders bevorzugt pro Tag maximal 2%. The replacement of the bioreactor contents can be carried out both continuously and by regular or irregular batchwise exchange of significant portions of the methanation medium. The exchange rate of the methanation medium in the bioreactor is relatively small compared to bioreactors with synthetic culture media. The bioreactor according to the present invention is used at exchange rates of less than 0.15 / d (15% exchange per day), preferably less than 0.10 / d, more preferably less than 0.05 / d or less than 0, 02 / d operated. The exchange rates apply to the entire bioreactor content, ie to the "culture medium" and the microorganisms contained therein. According to a preferred embodiment, a maximum of 15% of the total amount of digestate present in the bioreactor is removed from the bioreactor per day, more preferably at most 10% of the total amount per day, more preferably at most 5% of the total amount per day and most preferably at most 2 per day %.
Eine Vorrichtung zur Rückhaltung oder Immobilisierung der methanogenen Mikroorganismen oder ein wiederkehrender oder kontinuierlicher Zusatz der methanogenen Mikroorganismen ist bei diesen Austauschraten nicht notwendig, da sich die methanogenen Mikroorganismen unter den gegebenen selektiven Bedingungen im erforderlichen Maß anreichern. Über eine Zuführvorrichtung wird das Methanisierungsmedium aus einem Vorlagebehälter, der mit Gärrest aus der Biogasanlage gespeist wird, in den Bioreaktor eingebracht. Über eine Abführvorrichtung wird ein Teil des Reaktorinhalts in einen Behälter für verbrauchtes Methanisierungsmedium abgeleitet. Da es sich bei dem Material im Wesentlichen um biogenes Restmaterial aus der angegliederten Biogasanlage handelt, kann es anschließend in einfacher Weise wieder in den Kreislauf der Biogasanlage zurückgeführt werden, insbesondere in das Gärrestlager zurückgeführt werden, so dass sich Synergieeffekte aus der Kombination einer Biogasanlage mit einer angegliederten separaten biologischen Methanisierung in dem Bioreaktor nicht nur dadurch ergeben, dass CO2 aus dem Biogasprozess für die biologische Methanisierung verwendet wird, sondern in beiden Anlagenteilen mit demselben Biomassematerial hantiert wird. Dies vereinfacht sowohl den Umgang des Betriebspersonals mit den Biomaterialien, die Beschaffung und Entsorgung des Kulturmediums für den Bioreaktor sowie die Integration eines neuen Anlagenteils zur biologischen Methanisierung in eine bestehende Biogasanlage. Höhere Temperaturen bei der biologischen Methanisierung tragen zudem zu einer Hygienisierung des Materials bei, so dass eine Entsorgung von Methanisierungsmedium wenig problematisch ist. Vorteilhafterweise werden daher nach Schritt h) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schritte h1) Entnehmen des in dem Bioreaktor anfallenden Gärrestes aus dem Bioreaktor und h2) Überführen des aus dem Bioreaktor entnommenen Gärrestes in ein Gärrestlager der Biogasanlage durchgeführt. A device for the retention or immobilization of the methanogenic microorganisms or a recurring or continuous addition of the methanogenic microorganisms is not necessary at these exchange rates, since the methanogenic microorganisms accumulate to the required extent under the given selective conditions. The methanization medium is introduced into the bioreactor from a feed tank, which is fed with digestate from the biogas plant, via a feed device. Via a discharge device, part of the reactor contents is discharged into a spent methanization medium tank. Since the material is essentially biogenic residual material from the affiliated biogas plant, it can subsequently be returned to the circulation of the biogas plant in a simple manner, in particular returned to the fermentation residue store, so that synergy effects from the combination of a biogas plant with a affiliated separate biological methanization in the bioreactor not only result from the fact that CO 2 from the biogas process for biological methanation is used, but is handled in both parts of the same biomass material. This simplifies both the handling of the biomaterials by the operating staff, the procurement and disposal of the culture medium for the bioreactor and the integration of a new plant section for biological methanation in an existing biogas plant. Higher temperatures in the biological methanization also contribute to a sanitation of the material, so that disposal of Methanisierungsmedium is little problematic. Advantageously, therefore, after step h) of the process according to the invention, the steps h1) removal of the fermentation residue from the bioreactor arising in the bioreactor and h2) transfer of the digestate removed from the bioreactor into a fermentation residue storage of the biogas plant are carried out.
Der Bioreaktor weist bevorzugt ein System zur Temperierung des Reaktorinhalts auf. Dieses ist geeignet, die entsprechende Temperatur für die biologische Methanisierung nach Vorgabe einzustellen. Bevorzugt ist dies eine Temperatur oberhalb von 45 °C, insbesondere von 50 °C bis 100 °C, besonders bevorzugt von 60 °C bis 75 °C. Die Temperieranlage ist geeignet, den Reaktorinhalt sowohl zu heizen als auch zu kühlen, wenn der Reaktorinhalt bei der exothermen Methanisierung zu heiß wird. Für die Heizung des Reaktorinhalts kann Abwärme aus dem Elektrolyseur genutzt werden. Bei einer Kühlung des Bioreaktors kann die Abwärme für eine Temperierung der anaeroben Fermenter der Biogasanlage genutzt werden. The bioreactor preferably has a system for controlling the temperature of the reactor contents. This is suitable to set the appropriate temperature for biological methanation by default. This is preferably a temperature above 45 ° C, in particular from 50 ° C to 100 ° C, particularly preferably from 60 ° C to 75 ° C. The temperature control system is suitable for both heating and cooling the reactor contents if the reactor contents become too hot during the exothermic methanation. For the heating of the reactor contents, waste heat from the electrolyzer can be used. When the bioreactor is cooled, the waste heat can be used to control the temperature of the anaerobic fermenters in the biogas plant.
Der Bioreaktor ist vorteilhafterweise zudem ausgestattet mit einem Druckhalteventil und entsprechend druckstabilen Komponenten, so dass ein Reaktionsdruck höher als der Atmosphärendruck, insbesondere ein Überdruck bis zu 30 bar, bevorzugt ein Überdruck von bis zu 16 bar eingestellt werden kann. The bioreactor is advantageously also equipped with a pressure-holding valve and correspondingly pressure-stable components, so that a reaction pressure higher than the atmospheric pressure, in particular an overpressure up to 30 bar, preferably an overpressure of up to 16 bar can be set.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Bioreaktor mit Sensoren zur Messung von Temperatur, Druck und pH-Wert ausgestattet. Zusätzlich kann ein System zur pH-Regelung vorgesehen sein. Es hat sich gezeigt, dass in dem erfindungsgemäß betriebenen Bioreaktor insbesondere bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einem relativ weiten pH-Bereich biologische Methanisierung stattfindet, nämlich in einem Bereich von etwa pH 5,5 bis pH 8,5. Vorteilhafterweise wird dem Bioreaktor daher Säure oder Lauge in einer Menge zugeführt, dass der pH-Wert in dem Bioreaktor von 5,5 bis 8,5, bevorzugt von 6,0 bis 7,5 beträgt. According to a further, particularly preferred embodiment, the bioreactor is equipped with sensors for measuring temperature, pressure and pH. In addition, a system for pH control can be provided. It has been found that in the bioreactor operated according to the invention, especially at elevated pressure and elevated temperature, biological methanation takes place in a relatively wide pH range, namely in a range from about pH 5.5 to pH 8.5. Advantageously, the bioreactor is therefore supplied with acid or lye in an amount such that the pH in the bioreactor is from 5.5 to 8.5, preferably from 6.0 to 7.5.
Bei allen Gasströmen von und zu dem Bioreaktor wird sowohl die Gaszusammensetzung als auch der Gasfluss (Gasmenge pro Zeit) gemessen. For all gas flows from and to the bioreactor, both the gas composition and the gas flow (amount of gas per time) are measured.
Eine Steuer- und Regelungstechnik steuert und regelt sowohl die Zu- und Abflüsse an Methanisierungsmedium sowie die Gaszu- und -abflüsse in den Bioreaktor, insbesondere auch das Verhältnis der Gasflüsse von zugegebenem Wasserstoff im Verhältnis zu zugegebenem CO2-haltigem Gas aus der Biogasanlage. In der Regel wird H2 zu CO2 in einem Verhältnis von 4:1 eingesetzt; eine Feinregelung erfolgt jedoch nach der Zusammensetzung des Ausgangsgases aus dem Bioreaktor. Um einen möglichst hohen Biomethangehalt zu erreichen, darf weder zu viel Wasserstoff noch zu viel CO2 im Ausgangsgas des Bioreaktors messbar sein. Entsprechend erfolgt eine Feinregelung, bei der das Verhältnis von zugegebenem H2 zu CO2 von dem Verhältnis von 4:1 nach oben oder unten etwas abweichen kann, insbesondere im Bereich von 3:1 bis 5:1, insbesondere im Bereich von 3,5:1 bis 4,5:1. A control technology controls and regulates both inflows and outflows Methanization medium and the gas inflows and outflows into the bioreactor, in particular the ratio of the gas flows of added hydrogen in relation to added CO 2 -containing gas from the biogas plant. In general, H 2 is used to CO 2 in a ratio of 4: 1; However, a fine control takes place after the composition of the starting gas from the bioreactor. In order to achieve the highest possible biomethane content, neither too much hydrogen nor too much CO 2 should be measurable in the starting gas of the bioreactor. Accordingly, there is a fine control, in which the ratio of added H 2 to CO 2 of the ratio of 4: 1 may vary slightly up or down, in particular in the range of 3: 1 to 5: 1, in particular in the range of 3.5 : 1 to 4.5: 1.
Eine Biomethanleitung führt das im Bioreaktor gebildete methanangereicherte Gas vorzugsweise am oberen Ende des Bioreaktors ab und einer weiteren Verwertung zu. In der Regel erfolgt vor einer weiteren Verwertung noch eine Gaskühlung und Gastrocknung sowie gegebenenfalls eine Entschwefelung. Entspricht die Zusammensetzung des methanangereicherten Gases nicht den Anforderungen für ein einspeisefähiges Gas, beispielsweise weil zu viel nicht umgesetztes CO2 oder H2 enthalten ist, wird das methanangereicherte Gas in die Biogasaufbereitungsanlage geführt. Erfüllt das gebildete methanangereicherte Gas in seiner Gaszusammensetzung Einspeisequalität, wird es direkt der Biogaseinspeiseanlage an dem jeweiligen Ort der Biomethananlage zugeführt. A Biomethanleitung leads the methane-enriched gas formed in the bioreactor preferably at the upper end of the bioreactor and a further utilization to. As a rule, gas cooling and gas drying and optionally desulphurisation take place before further utilization. If the composition of the methane-enriched gas does not meet the requirements for a feedable gas, for example because too much unreacted CO 2 or H 2 is present, the methane-enriched gas is fed into the biogas upgrading plant. If the methane-enriched gas formed satisfies feed quality in its gas composition, it is fed directly to the biogas feed system at the respective location of the biomethane plant.
Die Menge der zugeführten Eduktgase richtet sich in erster Linie nach der Menge an zur Verfügung stehendem Wasserstoff und daneben nach der Menge von CO2, das aus der Biogasanlage zur Verfügung steht. Bei der Nutzung von Überschussstrom aus dem Stromnetz für die Wasserelektrolyse steht H2 nicht kontinuierlich zur Verfügung, so dass der Bioreaktor zur biologischen Methanisierung im on/off-Betrieb genutzt wird. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Bioreaktor unproblematisch, da die hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen in dem Methanisierungsmedium auch längere Phasen ohne Zufuhr der Eduktgase überdauern und bei einer erneuten Zufuhr von H2 und CO2 zeitnah mit der biologischen Methanisierung beginnen. The amount of educt gases supplied depends primarily on the amount of available hydrogen and next to the amount of CO 2 , which is available from the biogas plant. When using surplus electricity from the power grid for water electrolysis H 2 is not continuously available, so that the bioreactor for biological methanation in on / off operation is used. This is unproblematic in the bioreactor according to the invention, since the hydrogenotrophic methanogenic microorganisms in the methanization even longer phases without supply of the educt gases outlast and start with a renewed supply of H 2 and CO 2 promptly with the biological methanation.
Neben der Einspeisung von Biomethan ins Erdgasnetz besteht die Möglichkeit einer Nutzung als Kraftstoff beispielsweise in Form einer Bioerdgastankstelle oder eine stoffliche Nutzung. Als weitere Verwertungsmöglichkeit bietet sich in Zeiten eines zu geringen Stromangebots eine Rückverstromung von Biomethan mit gleichzeitiger Wärmeerzeugung, beispielsweise über ein BHKW an. In diesem Fall benötigt man einen Zwischenspeicher für das produzierte Biomethan. Dieser wie auch ein BHKW sind jedoch häufig bereits in Biogasanlagen integriert und können so in vorteilhafter Weise für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden. In addition to the feed-in of biomethane into the natural gas network, there is the possibility of being used as fuel, for example in the form of a bio-natural gas filling station or a material use. As a further possibility of utilization offers in times of too low electricity supply a reconversion of biomethane with simultaneous heat generation, for example via a CHP. In this case you need a buffer for the produced biomethane. However, this as well as a CHP are often already integrated in biogas plants and can be used in an advantageous manner for the inventive method.
In der Anlage zur biologischen Methanisierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in dem Bioreaktor Biomethan in einer Gasqualität von mehr als 95 % Methan, insbesondere von mehr als 97 % Methan erzeugt werden. Dies ist aufgrund der spezifischen Reaktionsbedingungen in dem Bioreaktor zur biologischen Methanisierung wie Temperatur, Druck, Mikroorganismendichte an hydrogenotrophen Methanogenen in dem Restmaterial aus der Biogasanlage sowie geeignetes Gaseinbringungssystem für H2 und CO2 auch mit volumenspezifischen Methanbildungsraten von mindestens von 10 Nm3/m3 RVd oder von mindestens 30 Nm3/m3 RVd oder von mindestens 50 Nm3/m3 RVd möglich. In the biological methanation plant according to the present invention, biomethane in a gas quality of more than 95% methane, in particular more than 97% methane, can be produced in the bioreactor. This is due to the specific reaction conditions in the bioreactor for biological methanation such as temperature, pressure, microorganism density of hydrogenotrophic methanogens in the residual material from the biogas plant and suitable gas introduction system for H 2 and CO 2 also with volume-specific methane formation rates of at least 10 Nm 3 / m 3 RV d or of at least 30 Nm 3 / m 3 RV d or of at least 50 Nm 3 / m 3 RV d possible.
Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu anderen im Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass die Wirtschaftlichkeit erhöht wird, weil in nicht unerheblichem Maße schon vorhandene Infrastruktur und Technik sowie auf einer Biogasanlage bereits vorhandene Biomassematerialien (Gärrest) und Gase (Rohbiogas, Schwachgas aus Biogasaufbereitung) benutzt werden, um die Methanausbeute durch eine separate Vorrichtung zur biologischen Methanisierung zu erhöhen. Die Reaktionsbedingungen sowie die technischen Vorrichtungen zur Einbringung der Eduktgas H2 und CO2 unterscheiden sich in dem Bioreaktor zur biologischen Methanisierung von den Bedingungen in den konventionellen anaeroben Fermentern einer Biogasanlage, so dass hier wesentlich höhere volumenspezifische Methanbildungsraten erreicht werden können. Durch die wenig aufwändige Bereitstellung eines Methanisierungsmediums für den Bioreaktor zur biologischen Methanisierung unter Verwendung von Biomaterial aus der Biogasanlage werden die Kosten für die biologische Methanisierung reduziert und die Akzeptanz, eine Biogasanlage zu einer Anlage mit biologischer Methanisierung zu erweitern, erhöht. A decisive advantage of the method according to the invention in comparison with other methods known in the prior art is that the economic efficiency is increased, because already existing infrastructure and technology as well as on a biogas plant already existing biomass materials (digestate) and gases (raw biogas, lean gas from biogas upgrading) to increase the methane yield through a separate biological methanation device. The reaction conditions and the technical devices for introducing the educt gas H 2 and CO 2 differ in the bioreactor for biological methanation of the conditions in the conventional anaerobic fermenters of a biogas plant, so that significantly higher volume-specific methane formation rates can be achieved here. By providing a methanation medium for the bio-methanation bioreactor using biomaterial from the biogas plant, the cost of biological methanation is reduced and the acceptance of expanding a biogas plant into a biological methanation plant is increased.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben. Die Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen gemachten Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen: To illustrate the invention and to illustrate its advantages, embodiments are given below. The exemplary embodiments will be explained in more detail in connection with the figures. It goes without saying that the statements made in connection with the exemplary embodiments are not intended to limit the invention. Show it:
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention
Biogene Einsatzstoffe werden als Gärsubstrat in den anaeroben Fermenter
CO2-reiches Schwachgas aus der Biogasaufbereitungsanlage wird über die Schwachgasleitung
Der Elektrolyseur
Um den veränderten Bedingungen in dem Bioreaktor
Der Bioreaktor
Über eine Abführvorrichtung wird ein Teil des Reaktorinhalts in einen Behälter für verbrauchtes Methanisierungsmedium
Bei allen Gasströmen wird sowohl die Gaszusammensetzung als auch der Gasfluss (Gasmenge pro Zeit) gemessen. Eine Steuer- und Regelungstechnik steuert und regelt die sowohl die Zu- und Abflüsse an Methanisierungsmedium sowie die Gaszu- und -abflüsse in den Bioreaktor
In
Alternativ oder zusätzlich zu der Biogaseinspeiseanlage
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Biogasanlage biogas plant
- 2 2
- Anlagenteil mit Bioreaktor Plant part with bioreactor
- 3 3
- Fermenter fermenter
- 4 4
- Substratlager substrate storage
- 5 5
- Gärresteseparation Gärresteseparation
- 6 6
- Behälter für festen Gärrestbestandteil Container for solid digestate component
- 7 7
- Behälter für flüssigen Gärrestbestandteil Container for liquid digestate component
- 8 8th
- Rohbiogasleitung Rohbiogasleitung
- 9 9
- Biogasaufbereitungsanlage Biogas processing plant
- 10 10
- Biogaseinspeiseanlage biogas feed
- 11 11
- Erdgasnetz natural gas network
- 12 12
- Schwachgasleitung Lean gas line
- 13 13
- Verdichter compressor
- 14 14
- Bioreaktor bioreactor
- 15 15
- Elektrolyseur electrolyzer
- 16 16
- Gasmischkammer Gas mixing chamber
- 17 17
- Regelenergiebox Regelenergiebox
- 18 18
- Temperieranlage Temperature control unit
- 19 19
- Vorlagebehälter storage container
- 20 20
- Behälter für verbrauchtes Methanisierungsmedium Container for spent methanization medium
- 21 21
- Biomethanleitung biomethane line
- 22 22
- Rohbiogasleitung Rohbiogasleitung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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