DE102015119992B4

DE102015119992B4 - Biogasanlagenbehälter

Info

Publication number: DE102015119992B4
Application number: DE102015119992.0A
Authority: DE
Inventors: Mathias Schlegel
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Atfo De GmbH
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2035-11-19
Also published as: DE102015119992A1

Abstract

Biogasanlagenbehälter (10) für eine Biogasanlage (100),
mit einem Speicherbehälter (20) zum Speichern eines Fluides,
wobei der Speicherbehälter (20) derart ausgebildet und in dem Biogasanlagenbehälter (10) derart angeordnet ist, dass, wenn der Biogasanlagenbehälter (10) mit einem Substrat (30) gefüllt ist, in den Speicherbehälter (20) eingelassenes oder darin gespeichertes Fluid mittels des Substrats (30) komprimiert wird,
wobei einer Auslassöffnung des Speicherbehälters eine Energieerzeugungseinrichtung (70) nachgeordnet ist, die eingerichtet ist, mittels aus dem Speicherbehälter (20) ausgelassenen komprimierten Fluids einen Generator (74) zur Stromerzeugung anzutreiben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biogasanlagenbehälter, eine Biogasanlage mit einem solchen Behälter, ein Verfahren zur Energiespeicherung sowie eine Verwendung des Biogasanlagenbehälters zum Speichern von Energie mit einem entsprechenden Verfahren.
Als Biogasanlagenbehälter im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sämtliche Behälter zu verstehen, welche im Zusammenhang mit einem aeroben und/oder anaeroben Abbau von biologischem Substrat (Biomasse) dazu dienen, umzusetzendes Substrat zu speichern oder Prozess- oder Abfallprodukte eines solchen Abbaus zumindest temporär zu speichern. Ein solcher Abbau von Biomasse erfolgt beispielsweise im Rahmen der Biogaserzeugung. Aber auch in Teilprozessen eines Biogaserzeugungsprozesses, zum Beispiel während der Hydrolyse oder im Teilprozess bis zur Versäuerung, werden Substrate in der erwähnten Weise in entsprechenden Behältern abgebaut. Diese Teilprozesse können auch räumlich getrennt vom eigentlichen Erzeugen von Biogas durchführt werden. Biogasanlagenbehälter im Sinne der vorliegenden Erfindung sind somit insbesondere Fermenter, Restgärbehälter und Güllelagerbehälter für eine Biogasanlage oder Behälter zum Durchführen oben angesprochener Teilprozesse. Entsprechend soll als Biogasanlage im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Anlage verstanden werden, in welcher zumindest ein Teilprozess eines Biogaserzeugungsprozesses durchgeführt wird.
In zunehmendem Maße wird Energie aus regenerativen Quellen erzeugt, insbesondere mittels Sonnenlicht, Wind und Wasserkraft. Dies führt, aufgrund eines nicht konstanten Vorliegens der entsprechenden Quellen, dazu, dass Energie nicht konstant erzeugt wird, sondern zum Teil starke Fluktuationen entstehen. Daher sind Energiespeicher erforderlich, um diese Fluktuationen auszugleichen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Speichertechnologien zum Speichern von Energie bekannt. Hervorzuheben sind hier insbesondere Speichervorrichtungen zum Speichern chemischer Energie, wie beispielsweise Akkumulatoren oder Batterien. Diese erfordern eine hohe Anfangsinvestition. Weiter bekannt sind Speichervorrichtungen zum Speichern mechanischer Energie, wie Druckluftspeicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke oder Schwungradkraftwerke. Vorrichtungen zum mechanischen Speichern von Energie haben unter anderem den Nachteil eines erheblichen apparativen Aufwandes bei lediglich beschränktem Wirkungsgrad. Auch ist oft ein größerer Bedarf an Fläche, Raum oder Gefälle erforderlich.
Es ist bereits eine Kleinbiogasanlage mit einem integrierten Gas- und Rührbalg bekannt, die aus einem flexiblen rechteckigen Behälter und einem in dem Behälter angeordneten Balg aus flexiblem Material besteht ( DE 3408454 A1 ). Der Balg ist über eine Gasleitung mit dem Inneren des Behälters der Kleinbiogasanlage verbunden, wobei durch die Gasleitung sich bildendes Gas von dem Behälter in den Balg gelangen kann. Dieser dehnt sich aus und bewirkt bei seiner Ausdehnung eine Umrührung und ständige Durchmischung der Faulflüssigkeit des Biogasanlagenbehälters.
Weiterhin ist ein Hauptfermenter zur Erzeugung von Biogas und ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung von Biogas bekannt, wobei der Hauptfermenter volumenveränderlich ausgebildet und mit einem Ausgleichsbehälter verbunden ist ( DE 4437717 C1 ).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Alternative zur Speicherung von Energie vorzuschlagen, die den genannten Nachteilen Rechnung trägt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Biogasanlagenbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Biogasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 5, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie die Verwendung eines derartigen Biogasanlagenbehälters zum Speichern von Energie gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14 vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Erfindung basiert auf der Idee, einen Biogasanlagenbehälter einer Biogasanlage als Energiespeicher zu verwenden. Solche Behälter liegen in einer Biogasanlage ohnehin vor und können, wie nachfolgend dargelegt, mittels minimaler apparativer Aufrüstung zu Energiespeichern umgebaut werden, ohne dass ihre Funktionalität im Zusammenhang mit der Biogaserzeugung beeinträchtigt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Biogasanlagenbehälters für eine Biogasanlage umfasst einen von dem Biogasanlagenbehälter verschiedenen Speicherbehälter zum Speichern eines Fluids. Der Speicherbehälter umfasst eine Einlassöffnung zum Einlassen des Fluids in den Speicherbehälter und eine Auslassöffnung zum Ablassen von in dem Speicherbehälter gespeichertem Fluid. Die Einlassöffnung kann von der Auslassöffnung verschieden sein oder mittels einer gemeinsamen Ein-/Auslassöffnung gebildet werden. Als Biogasanlagenbehälter kommen insbesondere ein Fermenter, ein Güllelagerbehälter oder ein Restgärbehälter einer Biogasanlage in Frage.
Der Speicherbehälter ist derart ausgebildet und in dem Biogasanlagenbehälter derart angeordnet, dass, wenn der Biogasanlagenbehälter mit einem Substrat gefüllt ist, in den Speicherbehälter eingelassenes oder darin gespeichertes Fluid mittels des Substrats komprimiert, d.h. unter Druck gehalten wird.
Als Substrat kommt im vorliegenden Zusammenhang insbesondere zu Biogas umzusetzende, verflüssigte Biomasse, Gülle, Gärreste des Umsetzungsprozesses oder dergleichen in Frage.
Der Speicherbehälter ist expandierbar, d.h. ist eingerichtet, sich beim Einfüllen des Fluids auszudehnen. Weiterhin ist der Speicherbehälter undurchlässig für das Fluid und das Substrat. Der Speicherbehälter ist zudem eingerichtet, das Fluid auch dann zu halten, wenn dieses unter Druck steht, zumindest bis zu einem vorgegebenen Drucklevel. Der Speicherbehälter ist in dem Biogasanlagenbehälter derart angeordnet, dass in dem Biogasanlagenbehälter befindliches Substrat hydrostatischen Druck auf den Speicherbehälter und in dem Speicherbehälter befindliches Fluid ausübt, d.h. der Speicherbehälter wird in der Regel in dem Biogasanlagenbehälter am Boden fixiert angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Speicherbehälter in Form einer vorzugsweise expandierbaren Blase ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Speicherbehälter in Form eines Hydraulikzylinders ausgebildet.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Biogasanlage umfasst zumindest einen Biogasanlagenbehälter der vorstehend beschriebenen Art.
Die Biogasanlage kann weiterhin eine Verdichtereinrichtung umfassen. Diese ist eingerichtet, Fluid zu komprimieren und komprimiertes Fluid in den Speicherbehälter durch die Einlassöffnung des Speicherbehälters einzubringen. Die Verdichtereinrichtung ist dabei in der Lage, das Fluid derart zu verdichten, dass es in dem Biogasanlagenbehälter befindliches Substrat verdrängen kann.
Vorzugsweise ist die Verdichtereinrichtung eingerichtet, als Fluid in der Biogasanlage anfallendes Biogas in den Speicherbehälter einzubringen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere gasförmige oder flüssige Substanzen als Fluid zum Befüllen des Speicherbehälters verwendbar, beispielsweise Luft oder CO₂.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verdichtereinrichtung eingerichtet, mit lokal in der Biogasanlage, bzw. einem daran angeschlossenen Blockheizkraftwerk, erzeugter Energie angetrieben zu werden.
Auf diese Weise kann in Zeiten, in denen ein Überangebot an Strom vorherrscht, die Biogasanlage, auch ferngesteuert, von einer Netzeinspeisung getrennt werden. In der Biogasanlage erzeugter Strom, oder extern erzeugter Strom, können dann verwendet werden, um das Fluid mittels der Verdichtereinrichtung zu verdichten und in den Speicherbehälter in dem Biogasanlagenbehälter einzuleiten. Das in dem Biogasanlagenbehälter befindliche Substrat wird teilweise von dem komprimierten Fluid verdrängt und hält dieses gleichzeitig unter Druck. Steigt nun die Stromnachfrage wieder, so kann das in dem Speicherbehälter gespeicherte und unter Druck stehende Fluid durch die Auslassöffnung des Speicherbehälters abgelassen und einer Energieerzeugungseinrichtung zugeführt werden, welche eingerichtet ist, mittels des aus dem Speicherbehälter ausgelassenen, komprimierten Fluids einen Generator zur Stromerzeugung anzutreiben. Alternativ oder zusätzlich kann das in dem Speicherbehälter gespeicherte komprimierte Fluid auch einer Trenn- oder Reinigungseinrichtung zum Weiterverarbeiten des Fluids zugeführt werden. Als Trenn- oder Reinigungseinrichtung kann beispielsweise eine Druckwechseladsorptionsanlage vorgesehen sein. Mittels einer solchen Anlage können allgemein Gasgemische gereinigt oder getrennt werden. In dem Fall, dass in dem Speicherbehälter als komprimiertes Fluid Biogas vorliegt, kann dieses zum Reinigen, z.B. zum Trennen von Methan und Kohlendioxid, einer entsprechenden Trenn- oder Reinigungseinrichtung zugeführt werden. Auch andere zu trennende oder zu reinigende Gemische können als Fluid in dem Speicherbehälter komprimiert gespeichert werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass nicht das komprimierte Fluid selbst der Trenn- oder Reinigungsanlage zum Weiterverarbeiten zugeführt wird, sondern dass lediglich der gespeicherte Druck verwendet wird, einen entsprechenden Trenn- oder Reinigungsprozess, mit Bezug auf ein anderes Gas oder Fluid, zu unterstützen, indem beispielsweise dieses andere Gas oder Fluid mittels des gespeicherten Drucks in geeigneter Weise komprimiert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zur Energiespeicherung umfasst daher die folgenden Schritte:
Es wird ein Biogasanlagenbehälter der vorstehend beschriebenen Art bereitgestellt. Dieser wird in einem weiteren Schritt mit einem vorstehend beschriebenen Substrat gefüllt. Zum Zwecke der Energiespeicherung wird dann ein komprimiertes Fluid in den Speicherbehälter des Biogasanlagenbehälters mittels einer geeigneten Verdichtereinrichtung eingebracht. Der Biogasanlagenbehälter mit der Speichereinrichtung kann somit in gewisser Weise wie eine Speichereinrichtung eines Druckspeicherkraftwerkes wirken und als solcher zur Energiespeicherung verwendet werden.
Wie bereits beschrieben, wird als Fluid im Rahmen des Betriebs einer Biogasanlage anfallendes Biogas in bevorzugter Weise zum Befüllen des Speicherbehälters verwendet. Solches Biogas fällt bei der Biogaserzeugung ohnehin konstant an und kann in Zeiten, in denen mittels der Biogasanlage mangels Nachfrage kein Strom erzeugt werden soll, sinnvoll in der beschriebenen Weise verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Darin zeigen:

1A und 1B eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biogasanlagenbehälters in zwei verschiedenen Zuständen;
2 Komponenten einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biogasanlage und
3 exemplarisch Schritte einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur Energiespeicherung.

Wie in den 1A, 1B dargestellt, kann ein Biogasanlagenbehälter 10 beispielsweise in Form eines Fermenters einer Biogasanlage bereitgestellt werden.
In dem Biogasanlagenbehälter 10 ist ein Speicherbehälter 20 in Form einer expandierbaren Blase am Boden des Biogasanlagenbehälters 10 fixiert angeordnet. Der Speicherbehälter 20 umfasst eine Einlassöffnung 22 zum Einlassen von Fluid in den Speicherbehälter 20 sowie eine Auslassöffnung 24 zum Ablassen von gespeicherten Fluid aus dem Speicherbehälter 20. Grundsätzlich kann zum Ein- und Auslassen des Fluids auch eine gemeinsame Öffnung verwendet werden. In den Biogasanlagenbehälter 10 kann ein im Rahmen des Biogaserzeugungsprozesses umzusetzendes Substrat 30 eingefüllt werden.
Wie in 1B gezeigt, expandiert der Speicherbehälter 20, wenn durch die Einlassöffnung 22 komprimiertes Fluid in den Speicherbehälter 20 eingefüllt wird. Dies führt dazu, dass das in dem Biogasanlagenbehälter 10 befindliche Substrat 30 teilweise verdrängt wird, wodurch der Füllstand sich um eine Höhe h ändert. Auf der anderen Seite setzt das Substrat 30 das in dem Speicherbehälter 20 gespeicherte Fluid unter Druck, wie dies mittels der Pfeile in 1B angedeutet ist.
Anstelle der Blase 20 kann beispielsweise auch ein (nicht gezeigter) Hydraulikzylinder als Speicherbehälter 20 verwendet werden. Der Speicherbehälter 20 kann aus jedem geeigneten Material gefertigt sein und in jeder geeigneten geometrischen Ausformung vorliegen. Wichtig ist lediglich, dass der Speicherbehälter 20 hinreichend druckresistent ist, um auch im expandierten Zustand das komprimierte Fluid zu halten.
Eine in 2 exemplarisch dargestellte Biogasanlage umfasst einen Biogasanlagenbehälter 10 gemäß den 1A und 1B. In dem Biogasanlagenbehälter 10 erzeugtes Biogas kann über ein Sperrventil 50 zur Stromerzeugung an ein Blockheizkraftwerk 60 der Biogasanlage 100 geleitet werden.
Eine Verdichtereinrichtung 40 ist eingerichtet, ein Fluid zu komprimieren und über die Einlassöffnung 22 in den Speicherbehälter 20 einzuführen. Im gezeigten Beispiel ist die Verdichtereinrichtung 40 über eine Leitung mit dem Biogasanlagenbehälter 10 verbunden und kann in der Zeit, in der erzeugtes Biogas nicht direkt an das Blockheizkraftwerks 60 weitergeleitet wird, dieses Biogas komprimieren und in den Speicherbehälter 20 einbringen, wo es durch das Substrat 30 unter Druck gehalten gespeichert wird.
Über die Auslassöffnung 24 des Speicherbehälters 20 kann in dem Speicherbehälter 20 gespeichertes Fluid über ein Sperrventil 50 einer Energieerzeugungseinrichtung 70 zugeführt werden. Die Energieerzeugungseinrichtung 70 umfasst im gezeigten Beispiel eine Turbine 72 zum Antreiben eines Generators 74. Die Energieerzeugungseinrichtung 70 kann somit mittels des komprimierten und aus dem Speicherbehälter 20 abgelassenen Fluids elektrische Energie erzeugen. Anschließend kann das nicht mehr unter Druck stehende Biogas zur weiteren energetischen Verwertung an das Blockheizkraftwerk 60 weitergeleitet werden. Alternativ kann in dem Speicherbehälter 20 gespeichertes Fluid über die Auslassöffnung 24 und ein Sperrventil 50 einer (nicht gezeigten) Trenn- oder Reinigungseinrichtung, beispielsweise einer Druckwechseladsorptionsanlage, zum Weiterverarbeiten des Fluids zugeführt werden. Die Trenn- oder Reinigungseinrichtung kann Teil der Biogasanlage sein.
Die vorstehend beschriebene Lösung zur Energiespeicherung hat im Vergleich zu bekannten Speicherkraftwerken den großen Vorteil, dass kaum apparativer Aufwand notwendig ist. Es muss lediglich ein Speicherbehälter in dem Biogasanlagenbehälter installiert und mit den entsprechenden Ein- und Auslassöffnungen versehen werden. Es kann ein konventioneller Verdichteter zum Einbringen des Fluids in den Speicherbehälter 20 verwendet werden, wobei als Fluid, wie erwähnt, vorzugsweise ohnehin vorliegendes Biogas verwendet werden kann. Auch hinsichtlich behördlicher Genehmigungen sind hier keine Schwierigkeiten zu erwarten.
3 illustriert schematisch Schritte eines Verfahrens zur Energiespeicherung.
Dabei wird in Schritt S1 ein Biogasanlagenbehälter der vorstehend beschriebenen Art, beispielsweise einen Biogasanlagenbehälter 10, wie er in den 1A, 1B dargestellt ist, bereitgestellt.
In Schritt S2 wird der Biogasanlagenbehälter 10 mit einem Substrat 30 gefüllt.
In Schritt S3 wird komprimiertes Fluid mittels einer Verdichtereinrichtung 40 in den Speicherbehälter 20 des Biogasanlagenbehälters 10 eingebracht. Energie wird somit in Form eines komprimierten Fluids gespeichert und kann nachfolgend beispielsweise, über eine vorstehend beschriebene Energieerzeugungseinrichtung 70, wiedergewonnen und in elektrische Energie umgesetzt werden.
Alternativ kann das komprimierte Fluid auch einer Trenn- oder Reinigungseinrichtung, beispielsweise einer Druckwechseladsorptionsanlage, zum Weiterverarbeiten des Fluids zugeführt werden. Wird als Fluid beispielsweise das in der Biogasanlage 100 anfallende Biogas verwendet, so kann dieses Biogas in der erwähnten Trenn- oder Reinigungsanlage gereinigt werden, d.h. es kann beispielsweise Methan von Kohlendioxid getrennt werden.

Claims

Biogasanlagenbehälter (10) für eine Biogasanlage (100), mit einem Speicherbehälter (20) zum Speichern eines Fluides, wobei der Speicherbehälter (20) derart ausgebildet und in dem Biogasanlagenbehälter (10) derart angeordnet ist, dass, wenn der Biogasanlagenbehälter (10) mit einem Substrat (30) gefüllt ist, in den Speicherbehälter (20) eingelassenes oder darin gespeichertes Fluid mittels des Substrats (30) komprimiert wird, wobei einer Auslassöffnung des Speicherbehälters eine Energieerzeugungseinrichtung (70) nachgeordnet ist, die eingerichtet ist, mittels aus dem Speicherbehälter (20) ausgelassenen komprimierten Fluids einen Generator (74) zur Stromerzeugung anzutreiben.
Biogasanlagenbehälter (10) nach Anspruch 1, wobei der Speicherbehälter (20) am Boden des Biogasanlagenbehälters (10) angeordnet ist.
Biogasanlagenbehälter (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Speicherbehälter (20) in Form einer Blase ausgebildet ist.
Biogasanlagenbehälter (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Speicherbehälter (20) in Form eines Hydraulikzylinders ausgebildet ist.
Biogasanlage (100) mit einem Biogasanlagenbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Biogasanlage (100) nach Anspruch 5, weiter aufweisend eine Verdichtereinrichtung (40) zum Einbringen von komprimiertem Fluid in den Speicherbehälter (20).
Biogasanlage (100) nach Anspruch 6, wobei die Verdichtereinrichtung (40) eingerichtet ist, als Fluid in der Biogasanlage (100) anfallendes Biogas in den Speicherbehälter (20) einzubringen.
Biogasanlage (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Verdichtereinrichtung (40) eingerichtet ist, mit in der Biogasanlage (100) erzeugter Energie angetrieben zu werden.
Biogasanlage (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiter aufweisend eine Energieerzeugungseinrichtung (70), die eingerichtet ist, mittels aus dem Speicherbehälter (20) ausgelassenen komprimierten Fluids einen Generator (74) zur Stromerzeugung anzutreiben.
Biogasanlage (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, weiter aufweisen eine Trenn- oder Reinigungseinrichtung, insbesondere eine Druckwechseladsorptionsanlage, die eingerichtet ist, aus dem Speicherbehälter (20) ausgelassenes komprimiertes Fluid, insbesondere komprimiertes Biogas, weiterzuverarbeiten.
Verfahren zur Energiespeicherung, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen (S1) eines Biogasanlagenbehälters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; - Befüllen (S2) des Biogasanlagenbehälters (10) mit einem Substrat; - Einbringen (S3) eines komprimierten Fluids in den Speicherbehälter (20) des Biogasanlagenbehälters (10) mittels einer Verdichtereinrichtung (40).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei als Fluid im Rahmen des Betriebs einer Biogasanlage (100) anfallendes Biogas in den Speicherbehälter (20) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei in dem Speicherbehälter (20) gespeichertes komprimiertes Fluid zum Erzeugen von Energie, insbesondere zum Antreiben eines Generators, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in dem Speicherbehälter (20) gespeichertes komprimiertes Fluid einer Trenn- oder Reinigungseinrichtung, insbesondere einer Druckwechseladsorptionsanlage, zum Weiterverarbeiten des Fluids zugeführt wird.
Verwendung eines Biogasanlagenbehälters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Speichern von Energie gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14.