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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Biogasanlage sowie eine entsprechend eingerichtete Biogasanlage.
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Der Biogasbildungsprozess kann grundsätzlich grob in vier Prozessschritte unterteilt werden, nämlich die Hydrolyse, die Acidogenese, die Acetogenese und die Methanogenese. Jeder dieser Prozessschritte läuft unter Mitwirkung von bestimmten Mikroorganismen ab, welche für jeden der Prozessschritte jeweils verschieden sind. Abbauprodukte eines Prozessschrittes dienen dann als Ausgangsprodukte eines darauf folgenden Prozessschrittes.
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Es ist grundsätzlich möglich, alle vier Prozessschritte in einem einzigen Behälter durchzuführen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass einzelne der Prozessschritte gleichzeitig ablaufen, beispielsweise wenn umzusetzendes Substrat dem Behälter quasi kontinuierlich zugesetzt wird. Nachteilig dabei ist, dass die jeweiligen Milieubedingungen, unter denen die Mikroorganismen einen der Prozessschritte in optimaler Weise durchführen, nicht immer berücksichtigt werden können.
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Während diejenigen Bakterien, die im ersten und zweiten Prozessschritt, d.h. während der Hydrolyse und der Acidogenese, im Wesentlichen tätig sind, Sauerstoff, höhere Temperaturen und die erzeugten organischen Säuren in höherem Maße tolerieren, kann von den Bakterien, die im dritten und vierten Prozessschritt im Wesentlichen benötigt werden, genau das Gegenteil behauptet werden. Diese Bakterien tolerieren keinen Sauerstoff, die Stabilität des Methanbildungsprozesses nimmt ab, wenn ein bestimmter Säureanfall überschritten wird, und bei höheren Temperaturen stagniert der Methanbildungsprozess, weil die für die Methanbildung zuständigen Bakteriengruppen in ihrer Anzahl dann abnehmen.
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Daher ist erwogen worden, Biogasanlagen herzustellen, bei denen in einer ersten Phase die ersten beide Prozessschritte, d.h. die Hydrolyse und die Acidogenese, in einem dem Hauptfermenter vorgelagerten, separaten Behälter ablaufen, welcher beispielsweise Hydrolysebehälter genannt werden kann. Die beiden letzten Prozessschritte, die Acetogenese und die Methanogenese, laufen dann in einer zweiten Phase, wie herkömmlich, im Hauptfermenter ab. Hydrolysebehälter und Hauptfermenter müssen nicht Teil derselben Biogasanlage sein. Aufgrund dieser Phasentrennung ergibt sich dann die Möglichkeit, die jeweiligen Milieubedingungen, die für die Hydrolyse- und Acidogenese-Bakterien notwendig sind, im ersten Behälter optimal einzustellen. Weiterhin können die davon abweichenden optimalen Milieubedingungen für die zweite Phase auch im Hauptfermenter eingestellt werden, wodurch die Biogaserzeugung insgesamt optimiert werden kann.
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Im Fokus der vorliegenden Erfindung steht nun ein Verfahren zur Biogaserzeugung der letztgenannten Art, d.h. ein Verfahren, in dem Hydrolyse und Acidogenese in einem ersten Behälter durchgeführt werden, wobei für das Durchführen weiterer Prozessschritte in einer nachfolgenden zweiten Phase, insbesondere für die Acetogenese und die Methanogenese, ein von dem ersten Behälter verschiedener zweiter Behälter vorgesehen ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Verfahren besonders energieeffizient durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Biogasanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, Wasserstoff, der als Prozessprodukt in der ersten Phase, d.h. im Rahmen der Hydrolyse und der Acidogenese entsteht, unmittelbar zur Energieerzeugung, d.h. direkt zum Erzeugen von Strom, zu verwenden.
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Solcher Wasserstoff wird in einer herkömmlichen Biogasanlage, in welcher sämtliche vier Prozessschritte in einem einzigen Behälter durchgeführt werden, in einem Wasserstoff verbrauchenden mikrobiologischen Prozess zu Methan umgesetzt. Da dieser Prozess in dem Fall, dass die Prozessschritte der zweiten Phase, d.h. die Acetogenese und die Methanogenese, in einem von dem ersten Behälter verschiedenen zweiten Behälter, welcher räumlich auch weit entfernt sein kann, durchgeführt werden, steht der Wasserstoff aus der ersten Phasen zur mikrobiologischen Methanbildung grundsätzlich nicht mehr zu Verfügung. Wirtschaftlich ist es in den wenigsten Fällen sinnvoll, diesen Wasserstoff aus der ersten Phase zu einem Hauptfermenter zu transportieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch die dem Wasserstoff innewohnende Energie nun optimal verwertet werden.
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In der Regel wird der Wasserstoff zur Stromerzeugung im Rahmen einer Knallgasreaktion verbrannt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Biogasanlage durch denjenigen Strom zumindest teilweise betrieben, der aus dem Wasserstoff erzeugt wird.
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Auf diese Weise wird es möglich, die Biogasanlage im Wesentlichen energieautark und dezentral zu betreiben. Eine spezifisch eingerichtete Biogasanlage, beispielsweise in Form eines Containers, kann dann stets genau an dem Ort betrieben werden, wo das umzusetzende Substrat anfällt, ohne dass eine externe Energieversorgung notwendig ist. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Biogaserzeugung und macht eine wirtschaftliche Anwendung auch in nicht erschlossenen Regionen möglich.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biogasanlage ist demnach eingerichtet, in einer ersten Phase die Prozessschritte der Hydrolyse und der Acidogenese in einem ersten Behälter durchzuführen, wobei für das Durchführen weiterer Prozessschritte in einer zweiten Phase, wie Acetogenese und Methanogenese, zum Verarbeiten von Prozessprodukten der ersten Phase, ein von dem ersten Behälter verschiedener zweiter Behälter vorgesehen ist. Der zweite Behälter muss dabei nicht Teil der Biogasanlage sein, sondern kann an einem räumlich entfernten Ort Teil einer weiteren Biogasanlage sein.
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Die erfindungsgemäße Biogasanlage umfasst dabei eine Stromerzeugungsvorrichtung, die eingerichtet ist, in der ersten Phase als Hydrolysegas anfallenden Wasserstoff zum Erzeugen von Strom mittels eines Generators zu verwenden. Die Stromerzeugungsvorrichtung ist dabei in der Regel eingerichtet, den Wasserstoff zur Stromerzeugung im Rahmen einer Knallgasreaktion zu verbrennen.
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Die Stromerzeugung mittels des Wasserstoffs kann bevorzugt mittels einer spezifischen Stromerzeugungsvorrichtung erfolgen, die Teil der Biogasanlage ist.
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Eine solche Stromerzeugungsvorrichtung umfasst einen beweglich angeordneten Körper. Dieser Körper ist dabei derart beweglich angeordnet, dass sich der Körper bei einer vorgegebenen Massenverteilung in oder an dem Körper in einer ersten, vorzugsweise stabilen Position befindet und abhängig von einer von der vorgegebenen Massenverteilung abweichenden Massenverteilung in oder an dem Körper in eine von der ersten Position verschiedene zweite, gegebenenfalls ebenfalls stabile Position verlagert wird.
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Die Stromerzeugungsvorrichtung umfasst eine durch Verbrennen des Wasserstoffs betreibbare Massenverlagerungseinrichtung. Diese ist eingerichtet, eine Massenverteilung in oder an dem Körper zu verändern.
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Weiterhin umfasst die Stromerzeugungsvorrichtung eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Massenverlagerungseinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dabei eingerichtet, die Massenverlagerungseinrichtung derart anzusteuern, dass die Massenverlagerungseinrichtung die Massenverteilung in oder an dem Körper derart verändert, dass der Körper von der ersten Position in die zweite Position verlagert wird.
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In der Regel ist die Steuereinrichtung weiterhin eingerichtet, die Massenverlagerungseinrichtung derart anzusteuern, dass die Massenverlagerungseinrichtung die Massenverteilung in oder an dem Körper nachfolgend derart verändert, dass der Körper von der zweiten Position wieder in die erste Position verlagert wird.
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Schließlich kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Massenverlagerungseinrichtung derart ansteuert, dass die Massenverlagerungseinrichtung die Massenverteilung in oder an dem Körper derart verändert, dass der Körper, beginnend mit einer Verlagerung von der ersten in die zweite Position, in eine kontinuierliche Bewegung, vorzugsweise eine Rotationsbewegung, versetzt wird.
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Die Stromerzeugungsvorrichtung umfasst weiterhin einen Generator und ist eingerichtet, mittels einer Verlagerungsbewegung des Körpers von der ersten in die zweite Position, in herkömmlich bekannter Weise, den Generator anzutreiben. Dabei kann insbesondere eine Dreh- oder Kippbewegung des Körpers beim Verlagern von der ersten in die zweite Position, und umgekehrt, geeignet umgesetzt werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform kann der Körper einen Behälter zum Aufnehmen eines fließfähigen Substrats umfassen oder selbst als ein solcher Behälter ausgebildet sein. Als Substrat kann beispielsweise eine Flüssigkeit, mit oder ohne Feststoffanteil, aber auch ein Granulat verwendet werden.
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Die Massenverlagerungseinrichtung ist in dieser Ausführungsform als eine Verdrängungseinrichtung ausgebildet, die eingerichtet ist, Substrat innerhalb des Behälters zu verdrängen. Auf diese Weise kann eine Massenverteilung in dem Behälter verändert werden, was dann dazu führt, dass der Behälter von der ersten in die zweite Position verlagert wird.
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Der Behälter kann als Hydrolysebehälter der Biogasanlage ausgebildet sein. Durch das Verlagern des Behälters von der ersten Position in die zweite Position kann gleichzeitig ein Mischen des Substrats in dem Behälter erreicht werden. Auf diese Weise kann die Biogasanlage besonders energieeffizient betrieben werden, da eine ansonsten erforderliche Rührvorrichtung, die zum Durchmischen des Substrats verwendet wird, und zu deren Betreiben ebenfalls Energie erforderlich ist, nicht mehr notwendig ist.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann die Massenverlagerungseinrichtung eingerichtet sein, eine Massenverlagerung an dem Körper dadurch zu bewirken, dass relativ zu einem Grundkörper des Körpers bewegliche Anteile des Körpers temporär relativ zu dem Grundkörper verlagert werden. Auch dadurch kann eine Massenverteilung an dem Körper verändert werden, mit der Konsequenz einer Verlagerung des Körpers von der ersten Position in die zweite Position.
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Der Körper der Stromerzeugungsvorrichtung ist vorzugsweise derart beweglich angeordnet, dass er um zumindest eine vorgegebene Achse dreh- oder kippbar ist.
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Die Massenverlagerungseinrichtung, in jeder der beiden genannten Ausführungsformen, kann beispielsweise als eine Expansionseinrichtung ausgebildet sein oder zumindest eine Expansionseinrichtung umfassen. Eine solche Expansionseinrichtung ist eingerichtet, unter Einwirkung des verbrennenden Wasserstoffes zu expandieren.
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Wird der Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff kontrolliert im Rahmen einer Knallgasreaktion verbrannt, so entsteht unter Druck stehender Wasserdampf, welcher zum Befüllen und Expandieren der Expansionseinrichtung verwendet werden kann.
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Das Expandieren kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Ballon oder eine ähnliche Expansionseinrichtung mittels des Wasserdampfs befüllt wird und dadurch expandiert. Ist ein solcher Ballon beispielsweise in einem mit Substrat gefüllten Behälter angeordnet, verändert sich dadurch der Füllstand des Substrats in dem Behälter und damit die Massenverteilung in dem Behälter.
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Alternativ kann die Expansionseinrichtung eingerichtet sein, derart zu expandieren, dass an der Expansionseinrichtung angeordnete Bauteile relativ zu einem Grundkörper des Körpers verlagert werden. Auch dadurch verändert sich die Massenverteilung an dem Körper. Eine derartige Expansionseinrichtung kann beispielsweise in Form eines aus- und einfahrbaren Zylinders ausgebildet sein. Der Zylinder kann durch Rückhaltemittel, beispielsweise Rückhaltefedern, in einer ersten, eingefahrenen Position relativ zum Grundkörper gehalten werden. Dadurch, dass Wasserdampf unter Druck in den Zylinder eingebracht wird, wird der Zylinder in eine ausgefahrene Position, weg vom Grundkörper, verfahren. Durch Ablassen des Wasserdampfs erfolgt ein Rückführen in die eingefahrene Position.
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Folglich umfasst das Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die folgenden Teilschritte zur Stromerzeugung:
Es wird ein beweglicher Körper bereitgestellt und derart beweglich angeordnet, dass der Körper sich bei vorgegebener Massenverteilung in oder an dem Körper in einer ersten Position befindet und abhängig von einer von der vorgegebenen Massenverteilung abweichenden Massenverteilung in oder an dem Körper in eine von der ersten Position verschiedene zweite Position verlagert wird.
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Die Massenverteilung in oder an dem Körper wird dann derart verändert, dass der Körper von der ersten Position in die zweite Position verlagert wird, wobei das Verändern der Massenverteilung mittels einer Massenverteilungseinrichtung bewirkt wird, welche durch das Verbrennen des Wasserstoffs betrieben wird. Die Verlagerungsbewegung des Körpers von der ersten in die zweite Position treibt einen Generator zur Stromerzeugung an.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird der Körper durch die Massenverlagerung von der ersten Position mittels einer Kippbewegung in die zweite Position verlagert. Es versteht sich, dass mittels einer entsprechenden Massenverlagerung in umgekehrter Weise eine Verlagerung des Körpers von der zweiten Position in die erste Position möglich ist. Die erste und die zweite Position sind dabei vorzugsweise als quasi stabile Positionen vorgesehen, in denen der Körper sich jeweils stabilisiert, wenn die Massenverteilung in oder an dem Körper unverändert bleibt. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Anordnung, z.B. eine geeignete Aufhängung, des Körpers relativ zu seinem Schwerpunkt erreicht werden.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird der Körper durch geeignet gesteuerte Massenverlagerung von der ersten Position über die zweite Position in eine Rotationsbewegung versetzt. Hier ist es vorteilhaft, wenn der Körper rotationssymmetrisch ausgebildet und entsprechend aufgehängt ist, um ohne großen Energieaufwand in eine vorzugsweise kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt zu werden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Darin zeigen:
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1A und 1B eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Körpers (in Form eines Behälters) einer erfindungsgemäßen Stromerzeugungsvorrichtung;
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2 schematisch ein Verlagern des Körpers aus 1 von einer ersten in eine zweite Position;
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3 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Körpers (in Form eines Behälters) einer erfindungsgemäßen Stromerzeugungsvorrichtung und das Versetzen dieses Körpers in eine Rotationsbewegung;
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4 eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines Körpers (in Form eines Behälters) einer erfindungsgemäßen Stromerzeugungsvorrichtung;
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5 schematisch Schritte beim Durchführen einer Knallgasreaktion;
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6 eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines Körpers einer erfindungsgemäßen Stromerzeugungsvorrichtung und das Verlagern dieses Körpers von der ersten in die zweite Position; und
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7 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biogasanlage.
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In 1A und 1B ist ein Körper 10 einer Stromerzeugungsvorrichtung 50 in Draufsicht und in Seitenansicht gezeigt. Der Körper 10 ist im gezeigten Beispiel als Behälter 10 ausgebildet. Eine alternative Ausführungsform eines geeigneten Körpers 10 wird nachfolgend mit Bezug auf 6 beschrieben.
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Der Behälter 10 ist eingerichtet, ein fließfähiges Substrat aufzunehmen, insbesondere eine Flüssigkeit oder eine mit Feststoffen versetzte Flüssigkeit. Alternativ kann dem Behälter 10 beispielsweise auch ein Granulat zugesetzt werden.
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Der Behälter 10 ist im gezeigten Beispiel kreiszylinderförmig ausgebildet. Grundsätzlich ist die Form des Behälters 10 jedoch praktisch nicht eingeschränkt, solange der Behälter 10 geeignet ist, das Substrat aufzunehmen und in der nachfolgend beschriebenen Weise verlagert zu werden.
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Um eine Anordnung, d.h. mit Bezug auf das gezeigte Beispiel eine Aufhängung, des Behälters 10 derart zu ermöglichen, dass sich der Behälter 10 bei einer vorgegebenen Massenverteilung in oder an dem Behälter 10 in einer ersten, quasi stabilen Position befindet, die in 1B gezeigt ist (vgl. auch 2, Zustand 1), und abhängig von einer von der vorgegebenen Massenverteilung abweichenden Massenverteilung in oder an dem Behälter 10, aufgrund einer Massenverlagerung in oder an dem Behälter 10, in eine von der ersten Position verschiedene zweite Position verlagert wird (vgl. 2, Zustand 2), sind an dem Behälter 10 Zapfen 12 angeordnet, an denen der Behälter 10 aufgehängt ist, beispielsweise an einem (nicht gezeigten) Rahmen.
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Die Zapfen 12 sind dabei, mit Bezug auf den kreisförmigen Querschnitt des Behälters 10, nicht diametral angeordnet, wodurch eine in 1B gezeigte erste Position erreicht werden kann. Eine Massenverlagerung in dem Behälter 10, welche nachstehend mit Bezug auf 2 erläutert wird, ermöglicht dann eine Verlagerung des Behälters 10 von der in 1B gezeigten ersten Position in eine in 2 (Zustand 2) gezeigte zweite Position, wobei die Verlagerung im vorliegenden Beispiel als eine Kippbewegung um eine Achse erfolgt, die durch die Längsrichtung der beiden Zapfen 12 vorgegeben ist (vgl. 2, Zustand 1.2).
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Der in 6 gezeigte Körper 10 ist in analoger Weise an Zapfen 12 angeordnet und kann in nachstehend noch beschriebener Weise von einer ersten Position (vgl. 6, Zustand 1) in eine zweite Position (vgl. 4, Zustand 3) verlagert werden. Im Beispiel gemäß 6 sind die Zapfen aber im Wesentlichen im Bereich des Schwerpunkts des Körpers 10' angeordnet. Damit kann dieser Körper 10' durch eine geeignet gesteuerte Massenverteilung auch in eine Rotationsbewegung versetzt werden, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
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Grundsätzlich kann der Behälter 10 aus 1, 2 auch auf andere Weise angeordnet oder aufgehängt werden, beispielsweise an lediglich einem Zapfen 12 oder auf andere Art und Weise.
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Bevorzugt ist es, wenn die Anordnung des Behälters 10 in der ersten Position derart erreicht werden kann, dass bereits eine geringe Massenverlagerung in oder an dem Behälter 10, gemessen an der Masse des Behälters 10 im Betrieb, zu einer Verlagerung von der ersten in die zweite Position führt. Dasselbe gilt natürlich analog für einen Körper gemäß 6.
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Mit Bezug auf den Behälter 10 kann eine solche Anordnung einerseits, bei bekannter Behältergeometrie, bekanntem Substrat und bekannter Füllmenge des Substrats, in herkömmlicher Weise berechnet werden. Andererseits ist es möglich, bei gegebenem Behälter 10 die Anordnung durch den Füllstand des Substrats einzustellen.
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Der Behälter umfasst, wie in 2 angedeutet, eine Massenverlagerungseinrichtung in Form einer Niveauveränderungseinrichtung. Die Niveauveränderungseinrichtung ist dabei als Verdrängungseinrichtung ausgebildet und umfasst zwei Expansionseinrichtungen 22 in Form zweier Ballons 22. Anzahl, Form und Anordnung der Ballons 22 in dem Behälter kann dabei variieren (vgl. dazu 7, in welcher ein Behälter 10 gezeigt ist, in welchem im Bereich der beiden Bodenflächen des Behälters 10 jeweils ein Ballon 22a, 22b angeordnet ist).
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Die Ballons 22 sind eingerichtet, mittels unter Druck stehendem Gas (Fluid) gefüllt zu werden, wodurch sie expandieren, wie dies in 2 mit Bezug auf den Zustand 1.1 angedeutet ist. Ein Ablassen des Gases ermöglicht, dass sich die Expansion der Ballons 22 zurückbildet (vgl. 2, Zustand 1.2).
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Nachdem der Behälter 10, wie vorstehend mit Bezug auf 1 beschrieben, angeordnet und mit Substrat befüllt worden ist, wird eine Bewegung des Behälters 10 dadurch erreicht, wie in 2 mit Bezug auf Zustand 1.1 angedeutet, dass die Ballons 22 mit unter Druck stehendem Gas befüllt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird solches unter Druck stehendes Gas durch Verbrennen von Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff oder Luft im Rahmen einer Knallgasreaktion gewonnen, wie dies nachfolgend mit Bezug auf die 3 und 5 noch genauer beschrieben wird. Eine daraus resultierende Expansion der Ballons 22 führt zu einer Verdrängung des Substrats 30 in dem Behälter 10 und in der Folge zu einem Anstieg des Niveaus des Substrats 30 im Behälter 10. Dieser Niveauanstieg führt zu einer Massenverlagerung in dem Behälter 10. Aufgrund der Massenverlagerung kippt der Behälter 10, wie in 2 mit Bezug auf den Zustand 1.2 gezeigt, von der ersten, stabilen Position in Pfeilrichtung in die zweite Position, die in 2 als Zustand 2 bezeichnet wird.
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Nachdem das Kippen des Behälters 10 von der ersten in die zweite Position eingeleitet worden ist, kann das Gas wieder aus den Ballons 22 abgelassen werden. Das Ablassen wird durch den Druck, den das Substrat 30 auf die Ballons 22 ausübt, unterstützt.
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Das Befüllen der Ballons 22 mit Gas bzw. das Ablassen von Gas aus den Ballons 22 wird dabei von einer (nicht gezeigten) Steuereinrichtung der Stromerzeugungsvorrichtung 50 gesteuert. Die Steuereinrichtung kann dabei beispielsweise auf eine mittels eines geeigneten Sensors (nicht gezeigt) erfasste aktuelle Lage des Behälters 10 zurückgreifen. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung erkennen, wann ein Befüllen mit Gas oder ein Ablassen des befüllten Gases erforderlich ist, um die Verlagerungsbewegung des Behälters 10 zu bewirken.
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Es versteht sich, dass ausgehend von der zweiten Position, in analoger Weise, d.h. durch erneutes Befüllen der Ballons 22 mit der Folge eines Anstiegs des Niveaus des Substrats 30 in dem Behälter 10, ein Kippen des Behälters 10 von der zweiten Position in die erste Position erreicht werden kann. Auf diese Weise kann der Behälter 10 abwechselnd von der ersten in die zweite Position und zurück verlagert werden.
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Die Stromerzeugungsvorrichtung 50 umfasst weiterhin einen (nicht gezeigten) Generator. Dieser Generator kann, beispielsweise über ein geeignetes Getriebe, mit dem Behälter 10 oder den Zapfen 12 des Behälters 10 gekoppelt sein. Eine Kippbewegung des Behälters 10 von der ersten in die zweite Position (und/oder umgekehrt) treibt dann den Generator, gegebenenfalls über das Getriebe, an. Dadurch wird in grundsätzlich bekannter Weise mittels des Generators Strom erzeugt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Behälter in den in 2 gezeigten, mit Zustand 1 und Zustand 2 bezeichneten Positionen, d.h. in der ersten und zweiten Position, bis zu einem weiteren Kippvorgang gesichert wird, beispielsweise durch automatisch angesteuerte Zapfenarretierungen. Eine solche Sicherung ist beispielsweise für eine Substratbefüllung und Substratentleerung vorteilhaft.
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Die in 3 schematisch in Seitenansicht darstellte Stromerzeugungsvorrichtung 50'' unterscheidet sich von der Stromerzeugungsvorrichtung 50 gemäß den 1 und 2 im Wesentlichen dadurch, dass der Körper 10'' an den Zapfen 12 derart aufgehängt ist, dass er leicht in eine Rotationsbewegung versetzt werden kann. Die Zapfen 12 sind dabei an einer zentral gelagerten Rotationsachse des Körpers 10'' angeordnet.
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In dem Körper 10'', der als verschließbarer Behälter ausgebildet ist, sind zwei Ballons 22a, 22b angeordnet. Wenn der Behälter mit Substrat gefüllt ist, kann durch abwechselndes Befüllen der Ballons mit Gas das Substrat in dem Behälter verdrängt und dadurch eine Massenverteilung in dem Behälter verändert werden.
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In der ersten Position (vgl. Teilbild 1 in 3) ist der Ballon 22b entleert und der Ballon 22a gefüllt. Die dadurch erzwungene Substratverteilung in dem Behälter führt zu einer Massenverteilung, die den Behälter in der gezeigten Stellung hält.
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Wird nun das Gas aus dem Ballon 22a entlassen, indem das Ventil A geöffnet wird, und danach durch das Ventil B Gas unter hinreichendem Druck in den Ballon 22b eingeführt wird, so expandiert dieser und führt zu einer Verdrängung des Substrats und einer damit einhergehenden Änderung der Massenverteilung in dem Behälter 10''. Der Behälter 10'' wird dabei in eine Richtung um die Zapfen 12 gekippt, wie dies in den Teilbildern 2 und 3 in 3 angedeutet ist.
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Wird nun, wie mit Bezug auf Teilbild 4 in 3 gezeigt, kurz vor dem Totpunkt, das Ventil B geöffnet, so dass das Gas aus dem Ballon 22b entweichen kann und die Trägheit der sich bewegenden Masse ausgenutzt, so dass der Behälter eine Position erreicht, wie in Teilbild 5 gezeigt (kurz nach dem Totpunkt), so kann in dieser Stellung, oder bereits kurz davor, das Ventil A wieder geöffnet werden und der Ballon 22a expandiert durch einströmendes Gas. Eine dadurch induzierte Massenverlagerung in dem Behälter bewirkt, dass der Behälter die Drehbewegung um die durch die Zapfen 12 definierte Achse in der gleichen Richtung fortsetzt.
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In dieser Weise, durch geeignetes abwechselndes Ansteuern der Ventile A und B, kann der Körper 10'' in eine kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt werden.
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Die in 4 gezeigte Ausführungsform einer Stromerzeugungsvorrichtung 50''', die dort in zwei verschiedenen Positionen schematisch, jeweils im Querschnitt, gezeigt ist, unterscheidet sich von der Stromerzeugungsvorrichtung aus 3 lediglich in der Anzahl der Ballons (vier statt zwei) und in der Art, wie der zylindrische Behälter 10''' aufgehängt ist (entlang der Längsachse). Es versteht sich, wie bereits erwähnt, dass die Anzahl der Expansionseinrichtungen (Ballons) und/oder die Form des Behälters und/oder die spezifische Art der Aufhängung variieren können.
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Die Expansionseinrichtung 22 in den 2, 3 und 4 wird wie nachfolgend mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben betrieben. Dazu wird der in der ersten Phase der Biogaserzeugung entstehende Wasserstoff verbrannt.
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Beim Verbrennen von Wasserstoff mit Sauerstoff oder Luft im Rahmen einer Knallgasreaktion (2H2 + O2 → 2H2O; ΔHR = –572kJ/mol) entsteht Wasserdampf. Eine aus dem Phasenwechsel resultierende Druck- und/oder Volumenvergrößerung kann verwendet werden, um eine Expansionseinrichtung 22 zu betreiben, d.h. mit Hilfe des als Reaktionsprodukt entstehenden Wasserdampfs zu befüllen und zur Expansion zu bringen. Die Menge eines zu verbrennenden Gemischs kann beispielsweise auf Basis der Masse des zu verdrängenden Substrats bestimmt werden.
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Dazu sind Brennkammern 30, 30a, 30b (vgl. auch 6, 7) vorgesehen. Diese weisen einen Einlass auf, über welchen Wasserstoff und Sauerstoff (bzw. Luft) eingelassen werden können. Über einen mit einem Überdruckventil versehenen Auslass kann der Wasserdampf zur Expansionseinrichtung abgelassen werden und diese antreiben.
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Die Brennkammer 30 wird mit dem zu verbrennenden Gemisch befüllt (vgl. 5, Schritt a), verschlossen und dann gezündet. Der entstehende Wasserdampf wird über den Auslass zu der Expansionseinrichtung 22 geleitet und expandiert diese (vgl. 5, Schritt b). Wie mit Bezug auf 5, Schritt c), gezeigt, wird in einem nachfolgenden Schritt, wenn beide Ventile geöffnet sind, das im vorhergehenden Schritt in die Expansionseinrichtung 22 eingeleitete Gas nun unter Einwirkung des hydrostatischen Drucks in dem Behälter 10 wieder aus der Expansionseinrichtung 22 herausgepresst.
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Es versteht sich, dass auch eine Stromerzeugungsvorrichtung, wie sie in 1, 2 gezeigt ist, auf diese Weise betrieben werden kann. Dabei müssen lediglich in den 1, 2 nicht gezeigte Brennkammern 30 ergänzt werden (vgl. 7).
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Wie mit Bezug auf 6 dargestellt, muss der Körper 10' nicht notwendigerweise als Behälter 10 ausgebildet sein.
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In dem in 6 gezeigten Beispiel wird die Massenverlagerung an dem Körper 10' selbst durchgeführt. Dazu ist der Körper 10' keulenförmig ausgebildet mit einem Grundkörper 10a und umfasst relativ zum Grundkörper 10a verlagerbare Anteile 10b, 10c, welche im gezeigten Beispiel jeweils an den Enden des Grundkörpers 10 angeordnet sind. Es leuchtet unmittelbar ein, dass, ausgehend von der in 4, Zustand 1, gezeigten ersten Position ein Verlagern des Anteils 10b nach oben (vgl. 6, Zustand 2), eine Massenverteilung an dem Körper 10' derart bewirkt, dass der Körper 10' von der ersten Position in die zweite Position (vgl. 6, Zustand 3) verlagert wird.
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Wie mit Bezug auf 6 gezeigt, sind die Anteile 10b, 10c mit dem Grundkörper 10a jeweils über einen ausfahrbaren Zylinder 40 gekoppelt, welcher hier die Rolle der Expansionseinrichtung einnimmt. Wird dieser Zylinder 40 mit unter Druck stehendem Gas befüllt, so wird beispielsweise der Anteil 10b (in Pfeilrichtung; vgl. 6, Zustand 2) von dem Grundkörper 10a wegbewegt- und verursacht dabei eine Veränderung der Massenverteilung an dem Körper 10'.
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Auch in dem in 6 gezeigten Beispiel wird das unter Druck stehende Gas im Rahmen einer Knallgasreaktion erzeugt. Daher umfasst der Körper 10' entsprechend eingerichtete Brennkammern 30a, 30b, welche über einen Anschluss 105 versorgt und wie mit Bezug auf 5 beschrieben betrieben werden können. Eine (nicht gezeigte) Steuer- und Zündvorrichtung steuert das Befüllen und Zünden des Gemischs derart, dass der Körper 10' zur Stromerzeugung zwischen der ersten und der zweiten Position verlagert wird.
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Grundsätzlich kann auch der Körper 10', wie zuvor mit Bezug auf den Behälter 10 aus 1, 2 beschrieben, jeweils abwechselnd zwischen der ersten und der zweiten Position verlagert werden. Bevorzugt wird mit Bezug auf 6 allerdings eine Rotationsbewegung des Körpers 10' angestrebt. Dies kann beispielsweise wie folgt erreicht werden.
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Ausgehend von der ersten Position (6, Zustand 1) wird wie vorstehend beschrieben, eine Verlagerung des Körpers 10' von der ersten in die zweite Position (6, Zustand 3) in Gang gesetzt. Kurz vor dem Abschluss der halben Drehung, d.h. kurz vor dem Totpunkt (Zustand 3), wird der Wasserdampf aus dem Zylinder 40 abgelassen. Der Zylinder 40 ist nun drucklos und der Anteil 10b wird mittels geeigneter Rückführmittel, z.B. über eine Rückhohlfeder oder mittels Unterdrucks (erzeugbar durch eine Knallgasreaktion in der gegenüberliegenden Brennkammer 30b), zum Grundkörper 10a zurückverlagert. Die in Gang befindliche Drehbewegung des Körpers 10' setzt sich aufgrund der Trägheit der Massen fort. Zu einem geeigneten Zeitpunkt wird eine weitere Knallgasreaktion in der nun oben angeordneten Brennkammer 30b (vgl. 6, Zustand 3) induziert, welche eine Verlagerung des Anteils 10 weg vom Grundkörper 10a bewirkt. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Rotationsbewegung des Körpers 10' um den Zapfen 12 in Gang gesetzt werden, welche über einen (nicht gezeigten) Generator, gegebenenfalls über ein Getriebe, abgenommen und zur Stromerzeugung verwendet werden kann.
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Die Stromerzeugungsvorrichtung gemäß 6 kann somit Bestandteil einer Biogasanlage, in der die Prozessschritte der Hydrolyse und der Acidogenese in einer ersten Phase in einem von Hauptfermenter separaten Behälter durchgeführt werden. Wasserstoff, der dabei als Prozessprodukt anfällt und mikrobiologisch nicht verwertet werden kann, kann mittels der Stromerzeugungsvorrichtung 50 nach 6 direkt zur Stromerzeugung verwendet werden.
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In 7 schließlich ist eine Biogasanlage mit einer Stromerzeugungsvorrichtung 50 gezeigt, welche grundsätzlich der mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen vergleichbar ist. Der Behälter 10 ist mit einem Substrat 30 gefüllt, wobei der Füllstand des Substrats 30 – und damit die Massenverteilung in dem Behälter 10 – mittels einer Expansionseinrichtung 22a, 22b beeinflussbar ist. Die als Expansionseinrichtung 22a, 22b dienenden Ballons sind hier jeweils im Bereich des Bodens/Deckels des Behälters 10 angeordnet. Durch Expansion des – abhängig von der aktuellen Position des Behälters 10 – jeweils unten angeordneten Ballons kann der Füllstand des Substrats 30 in dem Behälter 10 angehoben werden.
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Die Ballons 22a, 22b werden im in 7 gezeigten Beispiel mittels unter Druck stehenden Wasserdampfs expandiert, welcher als Resultat einer Knallgasreaktion in den Brennkammern 30a, 30b erzeugt wird.
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Die Brennkammern 30 werden dazu mit dem Wasserstoff-Sauerstoff Gemisch über geeignete Leitungen 120 versorgt, wobei der Wasserstoff aus dem Hydrolysebehälter 5 der Biogasanlage entnommen wird. Über die Leitungen 130 kann der Wasserdampf wieder aus den Ballons 22a, 22b entlassen werden.
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Der mittels der Stromerzeugungsvorrichtung 50 erzeugte Strom kann zum Betreiben der Anlage 100 verwendet werden. Damit können beispielsweise notwendige Steueranlagen gespeist werden, welche den Betrieb der Anlage steuern. Der erzeugte Strom kann beispielsweise auch zum Betreiben einer Rührvorrichtung (nicht gezeigt) zum Durchmischen des umzusetzenden Substrats im Hydrolysebehälter 5 verwendet werden oder für die Zerkleinerung von Substrat.
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Gemäß einer (nicht gezeigten) bevorzugten Variante kann als Behälter 10 der Hydrolysebehälter der Biogasanlage selbst verwendet werden. Die Verlagerung des Behälters 10 von der ersten in die zweite Position bewirkt dabei automatisch ein Durchmischen des Substrats in dem Behälter, wodurch Energie für eine nun verzichtbare Rührvorrichtung eingespart werden kann.
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Es versteht sich, dass die Anlage aus 7 anstelle einer Stromerzeugungsvorrichtung nach 1, 2, 3, 4 oder 6 auch einen konventionellen Generator umfassen kann, welcher eingerichtet ist, mittels Wasserstoffs betrieben zu werden.
