DE102018111890A1 - Einrichtung zum Erzeugen von Biogas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zum Erzeugen von Biogas (2), umfassend:- einen Gasauslass (3), der mit einem Gasanschluss verbindbar ist,- einen Verbindungsbereich (4), über den die Einrichtung (1) mit einem bewegbaren Abfallbehälter (5) verbindbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von Biogas, ein System zum Erzeugen von Biogas, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas, ein Verfahren zur Herstellung einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung sowie eine Verwendung zumindest einer hier vorgeschlagenen Einrichtung, eines hier vorgeschlagenen Systems oder einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas. Die Erfindung ist insbesondere geeignet im Zusammenhang mit konventionellen Abfall- und Wertstoffbehältern (AWB) zur Anwendung zu kommen.
  • Wind, Sonne und Biomasse sind drei wichtige Quellen einer nachhaltigen und klimafreundlichen Energieversorgung. Bei der Nutzung von Biomasse haben Biogasanlagen einen besonders großen Anteil. In ihnen können nicht nur Energiepflanzen unter Luftabschluss und unter Wirkung Methan-bildender Bakterien zu Biogas fermentiert werden, sondern auch Abfälle aus Küche und Garten. Das entstehende Gas besteht in der Regel zu ca. 60% aus Methan, das als Energieträger genutzt werden kann. Bei großen, stationären Biogasanlagen ist jedoch in der Regel erforderlich, dass die Biomasse bis zu 50 km weit transportiert werden muss, um energetisch verwertet werden zu können. Dies verursacht Kosten und schmälert die Gesamteffizienz. Es wäre also sinnvoll Biomasse dort zu verwerten, wo sie entsteht. Dies kann durch eine möglichst kleinteilige Erzeugung von Biogas mit kleinen, stationären Anlagen, z. B. mit stationären Mikrobiogasanlagen erreicht werden. Diese haben Gärbehälter mit ca. 100 Liter bis 1000 Liter Volumen und die Kapazität, Biomüll (Küchen- und Gartenabfall) von kleinen Haushalten zu verarbeiten.
  • Es gibt jedoch derzeit nur wenige Mikrobiogasanlagen auf dem Markt und eine signifikante Akzeptanz dieser Anlagen ist (noch) nicht erkennbar. Die bekannten Mikrobiogasanlagen sind an einem festen Ort zu installieren, beispielsweise im Garten eines Hauses. Ferner sind die bekannten Anlagen für einen kontinuierlichen Betrieb (nur) bedingt geeignet, denn Möglichkeiten zur externen Beheizung oder Aufnahme von Prozessgrößen wie z. B. Temperatur, Methan-Produktionsrate usw. sind nicht vorgesehen. Die Betreiber solcher Anlagen sollten darüber hinaus über einen Garten verfügen, um den Gärrest einer Nachkompostierung zuführen zu können. Ohne Garten gestaltet sich die Entsorgung der Reste als schwierig.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll kleinen Haushalten ohne Garten und ohne Komposter die Möglichkeit eröffnet werden, einfach und kostengünstig eine Mikrobiogasanlage zur energetischen Verwertung von Bioabfällen zu betreiben.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Hier vorgeschlagen wird eine Einrichtung zum Erzeugen von Biogas, umfassend:
    • - einen Gasauslass, der mit einem Gasanschluss verbindbar ist,
    • - einen Verbindungsbereich, über den die Einrichtung mit einem bewegbaren Abfallbehälter verbindbar ist.
  • Die hier vorgeschlagene Lösung trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, einen konventionellen Abfallbehälter zu einer (bewegbaren) Mikrobiogasanlage zu modifizieren. Bevorzugt ist die Einrichtung in der Form eines Deckels, insbesondere in der Form eines Ersatzdeckels und/oder passenden Deckels für einen konventionellen Abfall- und Wertstoffbehälter (z. B. AWB nach EN 840-2) gebildet. Besonders bevorzugt weist die Einrichtung eine deckelförmige und/oder in der Art einer Platte geformte Basis auf. In dieser Basis ist weiterhin bevorzugt der Gasauslass gebildet. Alternativ oder kumulativ erstreckt sich der Gasauslass, beispielsweise in der Art eines Auslassrohrs, durch die Basis hindurch.
  • Unter Biogas wird hier insbesondere ein brennbares Gas verstanden, das durch Vergärung von Biomasse (Bioabfälle) entsteht. Biogas hat in den meisten Fällen einen hohen Anteil von Methan. In der Regel enthält das Biogas mehrere Bestandteile neben Methan, beispielsweise Kohlenstoffdioxid. Bei Biogas handelt es sich also üblicherweise um eine Gasmischung. Darüber hinaus kann das Biogas auch Stickstoff, Sauerstoff, Schwefelwasserstoff, Wasserstoff und/oder Ammoniak enthalten. Bevorzugt ist Biogas ein Gasgemisch mit einem Methananteil von mindestens 50% oder sogar mindestens 60%. Üblicherweise gilt: Je höher der Methananteil ist, desto energiereicher ist das Biogas.
  • Die Einrichtung hat einen Gasauslass, der mit einem Gasanschluss verbindbar bzw. verbunden ist. Der Begriff Gasanschluss bezeichnet demnach eine Komponente einer Vorrichtung, die an die Einrichtung anschließbar ist und ist bevorzugt nicht selbst Teil der Vorrichtung. Bei dem Gasanschluss kann es sich um einen Anschluss an ein lokales Niederdruckgasversorgungsnetz handeln. Alternativ oder kumulativ ist der Gasanschluss ein Verbindungsstück eines (austauschbaren) Gasbehälters, der mit der Einrichtung lösbar verbindbar ist. Der Gasbehälter kann beispielsweise in der Art eines gasdichten Sacks, etwa aus Kunststoff, gebildet sein, der den Gasanschluss aufweist. Der Gasauslass der Einrichtung ist vorzugsweise derart gebildet, dass er mit dem Gasanschluss lösbar verbindbar ist. Beispielhaft kann der Gasauslass mit einem entsprechenden Verbindungsstück ausgestattet sein.
  • Die Einrichtung hat weiterhin einen Verbindungsbereich, über den die Einrichtung mit einem bewegbaren Abfallbehälter (lösbar) verbindbar bzw. (lösbar) verbunden ist. Der Verbindungsbereich ist bevorzugt derart geformt, dass dieser ein passendes Gegenstück für einen oberen Rand eines konventionellen Abfall- und Wertstoffbehälters (z. B. AWB nach EN 840-2 oder nach EN 840-3) bildet. Besonders bevorzugt ist der Verbindungsbereich an einem äußeren Rand der Basis gebildet. In dem Verbindungsbereich kann eine Dichtung vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist in dem Verbindungsbereich eine Dichtlippe gebildet und/oder eine Dichtschur angeordnet. Die Dichtlippe bzw. Dichtschnur ist vorzugsweise die Einrichtung und/oder deren Basis umlaufend in dem Verbindungsbereich gehalten.
  • Der Abfallbehälter ist (manuell) bewegbar. Bevorzugt ist der Abfallbehälter fahrbar bzw. rollbar. Hierzu kann der Abfallbehälter mit Rädern ausgestattet sein. Vorzugsweise hat der Abfallbehälter zwei, vier oder mehr Räder. Die Bewegbarkeit des Abfallbehälters erlaubt den besonderen Vorteil, dass dieser immer in die Sonne geschoben werden kann, sodass natürliche Wärmeenergie zur Förderung des Fermentierungsprozesses genutzt werden kann. Bei dem Abfallbehälter handelt es sich insbesondere um einen konventionellen Abfall- und Wertstoffbehälter (z. B. AWB nach EN 840-2), etwa mit einem klappbaren Flachdeckel oder einem Schiebe- bzw. Runddeckel (nach EN 840-3). Die Einrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, dass diese in Verbindung mit einem solchen konventionellen Abfall- und Wertstoffbehälter verwendet werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Mikrobiogasanlage für den Heimbedarf bereitgestellt werden, die regelmäßig von einem Abfallentsorgungsunternehmen geleert werden kann, sodass ein eigener Garten oder Komposter zur Entsorgung der in dem Behälter verbleibenden Biomassereste nicht erforderlich ist. Darüber hinaus ist die so bereitgestellte Mikrobiogasanlage vergleichsweise kostengünstig in der Anschaffung, da der Abfallbehälter in der Regel bereits vorhanden ist. Außerdem besteht eine hohe Akzeptanz der so bereitgestellten Mikrobiogasanlage, weil für die Bereitstellung nur die relativ kompakte Einrichtung zusätzlich bereitgestellt werden muss und auf den schon vorhandenen Abfallbehälter zurückgegriffen werden kann.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Einrichtung weiterhin zumindest eines der folgenden Elemente:
    • - einen Biomasseeinlass,
    • - einen Überlauf,
    • - eine Öffnung für ein oder mehrere Prozessmittel (und/oder deren Anschlüsse),
    • - einen Sauerstoffauslass (für Sauerstoff, der bei der Elektrolyse entsteht).
  • Der Biomasseeinlass ist vorzugsweise, insbesondere im Bereich einer Einwurföffnung, trichterförmig gebildet. Der Biomasseeinlass weist bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 50 mm bis 70 mm [Millimeter] auf. Als Prozessmittel können mindestens ein (elektrisches) Heizelement, mindestens ein Sensor, insbesondere zur Prozessüberwachung und/oder Prozesssteuerung (Temperatursensor, pH-Wert-Sensor, CO2-Konzentration-Sensor oder dergleichen), und/oder mindestens zwei Elektroden (Kathode und Anode, insbesondere zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse) vorgesehen sein. Eines oder mehrere dieser Prozessmittel können zumindest teilweise in der Einrichtung integriert sein. Bevorzugt weist die Einrichtung zumindest eine Öffnung auf, durch die beispielsweise eine Verkabelung eines oder mehrerer Prozessmittel hindurchführbar ist. Ein (elektrisches) Heizelement kann zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Fermentierungsprozesses innerhalb des Abfallbehälters beitragen. Die zwei Elektroden können in vorteilhafter Weise zur Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse in dem im Abfallbehälter vorgehaltenen Substrat (Biomasse) beitragen. Über den Sauerstoffauslass kann bei der Elektrolyse entstehender Sauerstoff aus dem Abfallbehälter abgeführt werden.
  • Bevorzugt sind zumindest der Gasauslass, der Biomasseeinlass, der Überlauf, die Öffnung für ein oder mehrere Prozessmittel oder der Sauerstoffauslass jeweils mittels eines Rohres gebildet. Besonders bevorzugt bilden die Rohre jeweils eine Art Durchführung durch eine Basis der Einrichtung. Bevorzugt befinden sich eine Einlassöffnung des Biomasseeinlasses, eine Auslassöffnung des Gasauslasses und/oder eine Auslassöffnung des Überlaufs, einige 10 cm [Zentimeter] bzw. 10 cm oder mehr über dem Abfallbehälter und/oder über einer Basis der Einrichtung. So kann sich beispielhaft ein Überdruck (über dem Umgebungsdruck, der regelmäßig etwa 1 bar beträgt) von einigen 10 mbar [Millibar] aufbauen, der besonders vorteilhaft ist einen mit dem Gasauslass verbundenen Gasbehälter zu füllen.
  • Weiterhin bevorzugt ist an dem Abfallbehälter, insbesondere unten, ein Ablassventil angebracht, über das Wasser bedarfsweise abgelassen werden kann. Ein solches Ablassventil ist insbesondere vorteilhaft, wenn die in dem Abfallbehälter verbleibenden Biomassereste konventionell, etwa von einem Abfallentsorgungsunternehmen abgeholt werden sollen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Verbindungsbereich dazu eingerichtet ist, eine gasdichte Verbindung bereitzustellen. Hierzu kann in dem Verbindungsbereich eine für konventionelle Abfall- und Wertstoffbehälter (z. B. AWB nach EN 840-2 oder EN 840-3), insbesondere für deren oberen Rand, passend eingerichtete Dichtung angeordnet sein. Darüber hinaus kann in oder an dem Verbindungsbereich ein Verbindungsmittel, beispielhaft in der Art einer Klemmvorrichtung, ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die gasdichte Verbindung, insbesondere durch eine Kombination von Dichtung und Klemmvorrichtung, dazu eingerichtet, eine Gasdichtheit bis zu einem Überdruck von 100 mbar [Millibar] zu gewährleisten. Bevorzugt ist die Dichtung dazu eingerichtet, Unregelmäßigkeiten und Herstellungstoleranzen des Randes des Abfall- und Wertstoffbehälters zu kompensieren. Die Dichtung ist bevorzugt einerseits flexibel, um sich der Form nach an den Rand des Abfall- und Wertstoffbehälters anzupassen. Andererseits hat die Dichtung eine Federkonstante, die einen ausreichenden Druck an dem Rand des Abfall- und Wertstoffbehälters erzeugt, wenn die Einrichtung an dem Abfall- und Wertstoffbehälter (wie vorgesehen) befestigt ist. Die Dichtung kann insbesondere auch eine Quelldichtung umfassen, die nach einer Montage der Einrichtung an dem Abfall- und Wertststoffbehälter (beispielsweise durch Feuchtigkeit oder durch Sauerstoffkontakt) aktiviert wird, um durch Quellen eine Gasdichtheit zu gewährleisten.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung einen Raum, in den Biomasse (manuell) einbringbar ist, begrenzt. Vorzugsweise ist die Einrichtung dazu eingerichtet einen innerhalb des Abfallbehälters gebildeten Raum zumindest nach oben hin zu begrenzen. Darüber hinaus kann die Einrichtung einen (ersten) Hohlkörper aufweisen, der sich beispielsweise von einer Basis der Einrichtung weg (in den Abfallbehälter hinein) erstreckt und den Raum in den die Biomasse einbringbar ist begrenzt bzw. umgibt bzw. unterteilt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung dazu eingerichtet ist, den Abfallbehälter in mehrere Prozesszonen zu unterteilen. Bevorzugt erstreckt sich ein (erster) Hohlkörper, insbesondere (erster) Hohlzylinder, von einer deckelförmigen und/oder in der Art einer Platte geformten Basis der Einrichtung weg, insbesondere von der Basis ausgehend nach unten und/oder zumindest teilweise in einen Innenraum des Abfallbehälters hinein. Weiterhin bevorzugt ist der (erste) Hohlkörper dazu eingerichtet eine in dem Hohlkörper liegende erste Prozesszone von einer außerhalb des Hohlkörpers liegenden zweiten Prozesszone abzugrenzen. Zwischen den beiden Prozesszonen existiert dann am Boden des Behälters ein sogenannter Umlenkbereich, welcher die beiden Prozesszonen verbindet. Biomasse gelangt dann von der ersten Prozesszone durch den Umlenkbereich in die zweite Prozesszone. In weiteren Ausführungsformen können noch weitere Umlenkungen und/oder Prozesszonen vorgesehen sein. Durch die voneinander abgegrenzten Prozesszonen wird es möglich, verschiedene Prozessbedingungen bzw. verschiedene Prozessmillieus in der Vorrichtung bereitzustellen. Dies ermöglicht eine besonders effektive Erzeugung von Biogas.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Fassungsvermögen des Abfallbehälters kleiner als 2 m3 [Kubikmeter] ist. Bevorzugt ist das Fassungsvermögen kleiner als 1,5 m3, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1,3 m3 oder sogar kleiner oder gleich 1,1 m3. Insbesondere ein kleiner Abfallbehälter hat den Vorteil, dass dieser einfach von einer Person in die Sonne geschoben werden kann. Wenn der Abfallbehälter mit der Einrichtung der Sonne ausgesetzt ist, erhöht dies üblicherweise die Effizienz der Erzeugung von Biogas. Ein großer Abfallbehälter (z.B. mit ca. 1,1 m3 oder sogar ca. 1,3 m3) kann ggf. bereits ausreichen, um einen Haushalt einer zur Lebensmittelzubereitung, insbesondere zum Kochen ausreichenden Gasmenge zu versorgen.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird ein System zum Erzeugen von Biogas vorgeschlagen, umfassend:
    • - eine hier vorgeschlagene Einrichtung,
    • - ein Trennelement, das beabstandet zu der Einrichtung in dem Abfallbehälter anordenbar ist.
  • Bevorzugt ist das Trennelement ein (zweiter) Hohlkörper, insbesondere (zweiter) Hohlzylinder, der auf einem Abfallbehälterboden des Abfallbehälters aufgestellt werden kann. Darüber hinaus kann das Trennelement in der Art eines in den Abfallbehälter einbringbaren Einsatzes gebildet sein. Insbesondere erstreckt sich das Trennelement bzw. der (zweite) Hohlkörper von einem Abfallbehälterboden (vertikal) nach oben. Weiterhin bevorzugt ist eine konzentrische Anordnung von erstem und zweitem Hohlkörper, um eine Aufteilung des Abfallbehälters in mehrere Prozesszonen zu bewirken. Besonders bevorzugt sind das Trennelement und die Einrichtung derart beabstandet zueinander anordenbar bzw. angeordnet, dass sich der erste Hohlkörper und der zweite Hohlkörper in axialer bzw. vertikaler Richtung teilweise (d.h. nicht vollständig) überlappen. Weiterhin bevorzugt liegt das Trennelement dicht auf dem Abfallbehälterboden auf. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass zwischen Trennelement und Abfallbehälterboden eine fluiddichte Verbindung besteht. Durch die Gestaltung der Vorrichtung mit einem ersten Hohlkörper und einem zusätzlichen zweiten Hohlkörper (Trennelement) werden insgesamt drei Prozesszonen bereitgestellt.
  • Darüber hinaus kann das System ein Verbindungsmittel umfassen. Bevorzugt ist das Verbindungsmittel dazu eingerichtet die Einrichtung mit dem Abfallbehälter (gasdicht) zu verspannen. Als Verbindungsmittel kann beispielsweise eine Klemmvorrichtung dienen. Die Klemmvorrichtung erfüllt insbesondere auch die Funktion, eine Dichtung unter die ausreichende Spannung zu setzen, um die Dichtheit der Abdichtung der Einrichtung an dem Abfallbehälter zu gewährleisten.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas vorgeschlagen, umfassend:
    • - einen bewegbaren Abfallbehälter,
    • - einen Raum, in den Biomasse einbringbar ist,
    • - einen Gasauslass, der mit dem Raum verbunden und mit einem Gasanschluss verbindbar ist.
  • Der Raum wird in der Regel von dem Abfallbehälter umgeben. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Raum das Innere des Abfallbehälters betrifft bzw. im Innern des Abfallbehälters gebildet ist. Der Gasauslass ist vorzugsweise in einer Decke des Raums bzw. durch diese hindurch gebildet. In dieser Decke bzw. durch diese hindurch kann darüber hinaus ein Biomasseeinlass, ein Überlauf, eine Öffnung für ein oder mehrere Prozessmittel (und/oder deren Anschlüsse) und/oder ein Sauerstoffauslass (für Sauerstoff, der bei der Elektrolyse entsteht) gebildet sein.
  • Eine solche Vorrichtung kann aber muss nicht mit der weiter oben beschriebenen Einrichtung ausgebildet sind. Die Vorrichtung hat unabhängig davon ob sie mit der beschriebenen Einrichtung ausgebildet ist den Vorteil, dass sie bewegbar ist. Dadurch kann die Vorrichtung besonders einfach in die Sonne bzw. generell an Orte erhöhter Wärmeexposition gebracht werden.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend folgende Schritte:
    1. a) Bereitstellen eines bewegbaren Abfallbehälters,
    2. b) Bereitstellen zumindest einer hier vorgeschlagenen Einrichtung oder eines hier vorgeschlagenen Systems,
    3. c) Verbinden der Einrichtung mit dem Abfallbehälter.
  • Wenn in Schritt b) ein System bereitgestellt wird, kann in Schritt c) zudem ein Anordnen des Trennelements beabstandet zu der Einrichtung in dem Abfallbehälter erfolgen.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung zumindest einer hier vorgeschlagenen Einrichtung, eines hier vorgeschlagenen Systems oder einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas vorgeschlagen.
  • Die im Zusammenhang mit der Einrichtung erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten System, der Vorrichtung, dem Verfahren und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die Erfindung, sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
    • 1: einen Abfallbehälter mit einer hier vorgeschlagenen Einrichtung in einer Schnittdarstellung,
    • 2: eine hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer Schnittdarstellung,
    • 3: eine weitere hier vorgeschlagene Einrichtung in einer Schnittdarstellung,
    • 4a: einen Abfallbehälter mit einer hier vorgeschlagenen Einrichtung in einer Seitenansicht,
    • 4b: die in 4a gezeigte Einrichtung in einer Draufsicht, und
    • 4c: den in 4a gezeigten Abfallbehälter und die in 4a gezeigte Einrichtung in einer Schnittdarstellung.
  • 1 zeigt schematisch einen Abfallbehälter 5 mit einer hier vorgeschlagenen Einrichtung 1 in einer Schnittdarstellung. Gemeinsam bilden die Einrichtung 1 und der Abfallbehälter 5 eine hier auch vorgeschlagene Vorrichtung 13.
  • Die Einrichtung 1 dient zum Erzeugen von Biogas 2. Die Einrichtung 1 hat hierzu einen Gasauslass 3, der mit einem Gasanschluss (hier nicht dargestellt) verbindbar ist, und einen Verbindungsbereich 4, über den die Einrichtung 1 mit einem bewegbaren Abfallbehälter 5 verbindbar ist. Der Gasauslass 3 ist hier beispielhaft mit einem (abnehmbaren) Gasbehälter 19 verbunden. Das erzeugte Biogas 2 wird in dem Gasbehälter 19 vorgehalten. Hierbei kann der Gasanschluss in der Art eines Konnektors des Gasbehälters 19 gebildet sein, der mit dem Gasauslass 3 der Einrichtung 1 verbunden werden kann. Der Gasbehälter 19 kann beispielsweise in der Art eines gasdichten Sacks, etwa aus Kunststoff, gebildet sein, die bzw. der den Gasanschluss aufweist.
  • Der Verbindungsbereich 4 ist hier dazu eingerichtet, eine gasdichte Verbindung zwischen der Einrichtung 1 und dem Behälter 5 bereitzustellen. Der Abfallbehälter 5 ist beispielhaft über Räder 25 bewegbar, hier fahrbar.
  • Die in 1 dargestellte Einrichtung 1 umfasst weiterhin einen Biomasseeinlass 6 und einen Überlauf 7. Über den Biomasseeinlass 6 kann Biomasse 9 in einen Raum 8 eingebracht werden. Die Einrichtung 1 begrenzt den Raum 8 nach oben hin. Der Gasauslass 3 ist mit dem Raum 8 verbunden, sodass sich regelmäßig im oberen Bereich des Raums 8 ansammelndes Biogas 2 über den Gasauslass 3 in den Gasbehälter 19 gelangen kann.
  • Die Einrichtung 1 bzw. die Vorrichtung 13 gemäß der Darstellung nach 1 hat im Wesentlichen drei Schnittstellen nach außen: Einlass für Biomasse (Biomasseeinlass 6), Auslass für Biogas (Gasauslass 3) und Überlauf 7. Dies ist in 1 schematisch veranschaulicht. Einrichtungen 1 bzw. Vorrichtungen 13, die nach dem dargestellten Prinzip arbeiten, sind in der Regel für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet. Die Ein- und Auslassöffnungen, etwa Gasauslass 3, Biomasseeinlass 6 und/oder Überlauf 7, befinden sich typischerweise 10 cm [Zentimeter] oder mehr über der Decke des Gärbehälters, wobei der Gärbehälter in 1 mit der Abfallbehälter 5 gebildet ist, dessen Decke mit der Einrichtung 1 gebildet ist. So kann sich beispielhaft ein Überdruck (über dem Umgebungsdruck, der regelmäßig etwa 1 bar beträgt) von einigen 10 mbar [Millibar] aufbauen, der besonders vorteilhaft ist um den Gasbehälter 19 zu füllen.
  • Der Gasbehälter 19 kann auch als primärer Gastank bezeichnet werden, insbesondere wenn diesem über einen Kompressor (hier nicht dargestellt) Biogas 2 entnommen und ein zweiter (sekundärer) Gastank (hier nicht dargestellt) mit hohem Druck damit befüllt werden soll.
  • Zum Erzeugen von Biogas 2 kann die Einrichtung 1 bzw. Vorrichtung 13 nach 1 beispielsweise wie folgt verwendet werden. Durch den Biomasseeinlass 6 wird Biomasse 9 und Wasser (hier nicht dargestellt) in den Raum 8 eingegeben. Das durch eine anaerobe Fermentierung entstehende Biogas 2 strömt durch den Gasauslass 3 in den Gasbehälter 19. Der Gasdruck in der Einrichtung 1 bzw. Vorrichtung 13 (Systemdruck) entspricht im Wesentlichen der Höhe der Flüssigkeitssäulen in den Rohren des Biomasseeinlasses 6 und des Überlaufs 7. Die Einrichtung 1 bzw. Vorrichtung 13 nach 1 erlaubt somit einen kontinuierlichen Betrieb.
  • 2 zeigt schematisch eine hier vorgeschlagene Vorrichtung 13 in einer Schnittdarstellung. Die Vorrichtung 13 dient zum Erzeugen von Biogas 2. Die Vorrichtung gemäß der Darstellung nach 2 verfügt zudem lediglich beispielhaft über eine integrierte Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse.
  • Die Vorrichtung 13 umfasst einen bewegbaren Abfallbehälter 5, einen Raum 8, in den Biomasse 9 einbringbar ist und einen Gasauslass 3, der mit dem Raum 8 verbunden und mit einem Gasanschluss (hier nicht dargestellt) verbindbar ist. Der Abfallbehälter 5 ist über Räder 25 bewegbar, nämlich fahrbar. Der Gasauslass 3 ist hier beispielhaft mit einem (abnehmbaren) Gasbehälter 19 verbunden. Das erzeugte Biogas 2 wird in dem Gasbehälter 19 vorgehalten. Der Gasanschluss ist hier ein Bestandteil des Gasbehälters 19.
  • Zum Einbringen der Biomasse 9 in den Raum 8 weist die Vorrichtung 13 einen Biomasseeinlass 6 auf. Darüber hinaus ist die Vorrichtung 13 mit einem Überlauf 7 ausgestattet.
  • Weiterhin weist die Vorrichtung 13 gemäß 2 beispielhafte Möglichkeiten zur externen Beheizung und Aufnahme von Prozessgrößen, wie z. B. Temperatur, Methan-Produktionsrate usw. auf. Hierzu sind beispielhaft ein Heizelement 20 und ein Temperatursensor 21 in dem Raum 8 angeordnet.
  • Darüber hinaus ist die Vorrichtung 13 nach 2 beispielhaft dazu ausgestattet, dass die Biogaserzeugung durch Zugabe von Wasserstoff 26 gesteigert werden kann. Hierzu sind eine Kathode 22 und eine Anode 23 in dem Raum 8 angeordnet. Das Heizelement 20, der Temperatursensor 21, die Kathode 22 und die Anode 23 sind jeweils mit einem Steuergerät 24 verbunden. Um die Biogaserzeugung zu steigern, werden die Kathode 22 und die Anode 23 so betrieben, dass im Bereich der Kathode 22 Wasserstoff 26 und im Bereich der Anode 23 Sauerstoff 27 erzeugt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt wird der Wasserstoff 26 durch eine Elektrolyse in der Biomasse 9 erzeugt. Eine hierfür beispielhafte Anordnung von Kathode 22 und Anode 23 ist in 2 veranschaulicht. Dabei umgibt die Kathode 22 die Anode 23. Zudem verfügt die Vorrichtung 13 über einen Sauerstoffauslass 15, welcher derart angeordnet ist, dass er den Sauerstoff 27 von der Anode 23 nach außen führen kann.
  • Der Wasserstoff 26 kann mit dem Kohlendioxid (hier nicht dargestellt) im Substrat, d.h. in der Biomasse 9, unter der Wirkung von Methan-bildenden Bakterien (hier nicht dargestellt) zu Biogas 2, nämlich Methan, reagieren. Damit kann ein deutlich höherer Kohlenstoffanteil der Biomasse 9 genutzt und gleichzeitig Wasserstoff 26 in ein technisch wesentlich einfacher zu handhabendes Energiegas (Methan) überführt werden. Der Wasserstoff 26 kann hierzu wie vorstehend dargestellt durch Elektrolyse im Substrat erzeugt werden. Die in 2 vorgestellte Ausführungsform kann auch als eine Art der Kombination von Biogaserzeugung und Power-to-Gas (kurz PtG oder P2G, deutsch etwa: „Elektrische Energie zu Gas“) bezeichnet werden.
  • 3 zeigt schematisch eine weitere hier vorgeschlagene Einrichtung 1 in einer Schnittdarstellung. Darüber hinaus zeigt 3 schematisch eine Schnittdarstellung eines oberen Bereichs eines bewegbaren Abfallbehälters 5, mit dem die Einrichtung 1 verbunden ist.
  • Die Einrichtung 1 umfasst einen Gasauslass 3 und einen Verbindungsbereich 4, über den die Einrichtung 1 mit dem bewegbaren Abfallbehälter 5 verbunden ist. Der Verbindungsbereich 4 gemäß der Darstellung nach 3 ist dazu eingerichtet, eine gasdichte Verbindung zwischen der Einrichtung 1 und dem Abfallbehälter 5 bereitzustellen. Hierzu verfügt die Einrichtung 1 über eine Dichtschnur 17, die an dem Abfallbehälter 5 anliegt. Zudem sind die Einrichtung 1 und der Abfallbehälter 5 mittels eines Verbindungsmittels 18, das hier beispielhaft in der Art einer Klemmvorrichtung ausgeführt ist, miteinander verbunden, hier verspannt. Das Verbindungsmittel 18 kann Bestandteil der Einrichtung 1 sein oder separat vorgesehen sein. In letzterem Fall kann das Verbindungsmittel 18 Teil des hier auch vorgeschlagenen Systems sein.
  • Es ist zu erkennen, dass die Einrichtung 1 in der Form eines Deckels bzw. Ersatzdeckels für den Abfallbehälter 5 gebildet ist. Drüber hinaus sind durch den Deckel diverse Rohre hindurchgeführt, die einen Biomasseeinlass 6, einen Überlauf 7, eine Öffnung 14 für ein oder mehrere Prozessmittel, wie etwa Heizelemente, Elektroden und/oder Sensoren, und einen Sauerstoffauslass 15 der Einrichtung 1 bilden.
  • Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Einrichtung 1 hier beispielhaft ein modifizierter Deckel für einen Abfallbehälter 5. In diesem Zusammenhang stellt 3 beispielhaft und schematisch die Ein- und Auslässe, die durch den Deckel gehen, dar. Die genauen Verläufe der Rohre und Leitungskanäle innerhalb und außerhalb des Abfallbehälters 5 sind 3 aufgrund der schematischen Darstellung nicht zu entnehmen.
  • Mit der Einrichtung 1 können herkömmliche Abfallbehälter 5 mit klappbarem Flachdeckel (z. B. AWB nach EN 840-2), die zur Sammlung von häuslichem Biomüll dienen und üblicherweise von Entsorgungsbetrieben zur Verfügung gestellt werden, als Gärbehälter umfunktioniert werden. Dazu wird lediglich der vorhandene bzw. herkömmliche Deckel durch einen anderen Deckel, nämlich die Einrichtung 1, ersetzt. Wie beispielsweise aus den 3 und 4a hervorgeht, muss dafür der Originaldeckel nur komplett geöffnet, aber nicht entfernt werden.
  • Der Ersatzdeckel bzw. die Einrichtung 1 ist mit einer Dichtung (beispielsweise in Form einer Dichtlippe oder Dichtschnur 17) versehen und wird mit beispielsweise mittels Klemmen ausgeführtem Verbindungsmittel 18 am Behälterrand des Abfallbehälters 5 befestigt (siehe 3). So wird in besonders vorteilhafter Weise Gasdichtheit bis zum maximalen Fülldruck des Gasbehälters 19 bzw. des primären Gastanks erreicht. In dem Ersatzdeckel bzw. der in der Art eines (Ersatz-) Deckels geformten Einrichtung 1 befinden sich vorzugsweise alle Ein- und Ausgänge, die zum Betrieb einer Biogasanlage erforderlich sind, beispielsweise der Einlass für Biomasse (Biomasseeinlass 6), Auslässe für Biogas (Gasauslass 3) und Überlauf 7. Je nach Bedarf können in dem Deckel bzw. der Einrichtung 1 auch weitere Ein- und Ausgänge integriert werden, die z. B. der Beheizung und sensorischen Kontrolle des Substrats bzw. der Biomasse 9 dienen können.
  • 4a zeigt schematisch einen Abfallbehälter 5 mit einer hier vorgeschlagenen Einrichtung 1 in einer Seitenansicht. Gemäß der Darstellung nach 4a ist besonders gut zu erkennen, dass die Einrichtung 1 in der Form eines Ersatzdeckels für einen bewegbaren, hier fahrbaren, Abfallbehälter 5 ausgeführt sein kann. Bei dem bewegbaren Abfallbehälter 5 handelt es sich in 4a um einen konventionellen Abfall- und Wertstoffbehälter (z. B. AWB nach EN 840-2) mit einem hier beispielhaften Fassungsvermögen von 240 Liter bzw. 0,24 m3. Der Abfallbehälter 5 ist mit Rädern 25 ausgestattet und über diese fahrbar.
  • 4b zeigt schematisch die in 4a gezeigte Einrichtung 1 in einer Draufsicht. Es sind der Gasauslass 3 und der Überlauf 7 zu erkennen. Darüber hinaus sind mittels gestrichelten Linien (verdeckten Kanten) die Positionen und Umrisse eines Raums 8 und eines Trennelements 16 angedeutet.
  • 4c zeigt schematisch den in 4a gezeigten Abfallbehälter 5 und die in 4a gezeigte Einrichtung 1 in einer Schnittdarstellung. Die Einrichtung 1 ist auf den Abfallbehälter 5 (gasdicht) aufgesetzt. Mittels Pfeilen ist schematisch veranschaulicht, dass ein Biomasseeinlass 6, ein Gasauslass 3 und ein Überlauf 7 durch die Einrichtung 1 gebildet sind.
  • Das Innere des Abfallbehälters 5 ist in mehrere Prozesszonen 10, 11, 12 unterteilt. Für diese Unterteilung ist hier ein System, umfassend die Einrichtung 1 und ein Trennelement 16 vorgesehen. Dabei ist die Einrichtung 1 dazu eingerichtet, den Abfallbehälter 5 in eine erste Prozesszone 10 und eine zweite Prozesszone 11 zu unterteilen. Von einer deckelförmigen Basis der Einrichtung 1 ausgehend erstreckt sich hierzu ein erster Hohlzylinder nach unten, der (zumindest umfangseitig) den Raum 8 umgibt und hier sowohl oben als auch unten zumindest teilweise offen ausgebildet ist. Innerhalb dieses ersten Hohlzylinders bzw. des Raums 8 befindet sich die erste Prozesszone 10. Außerhalb des ersten Hohlzylinders bzw. des Raums 8 befindet sich die zweite Prozesszone 11.
  • Das Trennelement 16 dient dazu, die erste Prozesszone 10 und die zweite Prozesszone 11 gegenüber einer dritten Prozesszone 12 abzugrenzen, die sich ebenfalls innerhalb des Abfallbehälters 5 befindet. Hierzu ist das Trennelement 16 beispielhaft in der Form eines zweiten Hohlzylinders gebildet, der sich ausgehend von einem Abfallbehälterboden nach oben erstreckt. Das Trennelement 16 ist beabstandet zu der Einrichtung 1 so angeordnet, dass es den von dem ersten Hohlzylinder der Einrichtung 1 zumindest teilweise umgibt. Ferner sind das Trennelement 16 und die Einrichtung 1 derart beabstandet zueinander, dass sich der erste Hohlzylinder und der zweite Hohlzylinder in axialer bzw. vertikaler Richtung teilweise (d.h. nicht vollständig) überlappen.
  • Zur Erläuterung der Biogaserzeugung in dem Abfallbehälter kann Folgendes ausgeführt werden:
    • Die Biogas-Entstehung „durchläuft“ unterschiedliche Stadien von der Fermentierung bis zur Methanogenese. Dabei bildet der Säuregehalt (ph-Wert) eine wichtige Prozessgröße des Substrat-Wassergemisches bzw. Biomasse-Wassergemisches. Das eingefüllte Substrat (Biomasse) hat in der ersten Fermentierung einen ph-Wert von 5 bis 6 (saurer Zustand). Wohingegen für die Methanbildung ein ph-Wert von 7 bis 8 erstrebenswert ist. Für eine kontinuierliche Befüllung in kleineren Portionen, d.h. bei einem „täglichen Nachschub“ von neuer Biomasse, ist es hierzu besonders vorteilhaft, das Substrat-Wassergemisch nicht als eine homogene Masse aufzubewahren. Daher wird hier gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgeschlagen, den Abfallbehälter entsprechend dem Fortschreiten des anaeroben Methan-Prozesses in einzelne (Prozess-)Zonen zu unterteilen. In der in 4c dargestellten Variante sind drei Prozesszonen 10, 11 und 12 ausgebildet und zwar beispielhaft durch die Anordnung von zwei (konzentrischen) Hohlzylindern. Statt Hohlzylindern sind auch andere Hohlkörperformen einsetzbar. Es lassen sich durch das Hinzufügen von weiteren Hohlkörpern auch noch weitere Prozesszonen voneinander abgrenzen. Die Größe der gebildeten einzelnen Zonen-Volumina orientiert sich in vorteilhafter Weise an der Verweildauer in dem jeweiligen Prozessabschnitt bzw. -stadium.
  • Am Kürzesten verweilt die neue bzw. frisch über den Biomasseeinlass 6 eingebrachte Biomasse 9 in der von dem Raum 8 bzw. dem ersten Hohlzylinder gebildeten ersten Prozesszone 10, die demnach das vergleichsweise kleinste Volumen hat. Um ein direktes Durchfallen der Biomasse 9 in die zweite Prozesszone 11 zu verhindern, kann ein Sieb (hier nicht dargestellt) den Raum 8 nach unten hin begrenzen. Ein solches Sieb ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da in einer anfänglichen bzw. ersten Befüllungsphase auch ein direktes Durchfallen von Biomasse 9 in die zweite Prozesszone 11 hingenommen werden kann.
  • (Spätestens) Nach einer ersten Fermentierungsphase gelangt die Biomasse 9 in die zweite Prozesszone 11. Die Verweildauer in der zweiten Prozesszone 11 ist länger als in der ersten Prozesszone 10, sodass das Zonen-Volumen der zweiten Prozesszone 11 größer ist als das der ersten Prozesszone 10.
  • Nach einer weiteren Fermentierungsphase gelangt die Biomasse 9 von der zweiten Prozesszone 11 in die dritte Prozesszone 12. Die Verweildauer in der dritten Prozesszone 12 ist länger als in der ersten Prozesszone 10 und der zweiten Prozesszone 11, sodass das Zonen-Volumen der dritten Prozesszone 12 größer ist als das der beiden anderen Prozesszonen 10, 11. Spätestens in der dritten Prozesszone 12 wird die Fermentierung bzw. Methanbildung abgeschlossen, sodass sich im oberen Bereich des Abfallbehälters 5 und/oder unterhalb der Einrichtung 1 innerhalb der dritten Prozesszone 12 Methan bzw. Biogas 2 ansammelt, das über den Gasauslass 3 abgezogen werden kann.
  • Sollte die Biomasse 9 innerhalb der dritten Prozesszone 12 deren Zonen-Volumen vollständig ausfüllen, kann bei daraufhin weiterer in die dritte Prozesszone 12 eintretender Biomasse 9 (Überfüllung der dritten Prozesszone 12) aus der dritten Prozesszone 12 über einen Überlauf 7 abgeführt werden. Dies erlaubt insgesamt einen kontinuierlichen Betrieb.
  • Die Bewegung der Biomasse 9 in den Abfallbehälter 5 hinein, innerhalb des Abfallbehälters 5 von einer Prozesszone in die nächste sowie ggf. aus dem Abfallbehälter 5 heraus ist in 4c mittels Pfeilen beispielhaft veranschaulicht.
  • Es werden eine Einrichtung, ein System und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas sowie ein Verfahren zur Herstellung einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung angegeben, die die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere trägt die hier vorgestellte Lösung dazu bei, kleinen Haushalten ohne Garten und ohne Komposter die Möglichkeit zu eröffnen, einfach und kostengünstig eine Mikrobiogasanlage zur energetischen Verwertung von Bioabfällen zu betreiben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Einrichtung
    2
    Biogas
    3
    Gasauslass
    4
    Verbindungsbereich
    5
    Abfallbehälter
    6
    Biomasseeinlass
    7
    Überlauf
    8
    Raum
    9
    Biomasse
    10
    erste Prozesszone
    11
    zweite Prozesszone
    12
    dritte Prozesszone
    13
    Vorrichtung
    14
    Öffnung
    15
    Sauerstoffauslass
    16
    Trennelement
    17
    Dichtschnur
    18
    Verbindungsmittel
    19
    Gasbehälter
    20
    Heizelement
    21
    Temperatursensor
    22
    Kathode
    23
    Anode
    24
    Steuergerät
    25
    Räder
    26
    Wasserstoff
    27
    Sauerstoff

Claims (10)

  1. Einrichtung (1) zum Erzeugen von Biogas (2), umfassend: - einen Gasauslass (3), der mit einem Gasanschluss verbindbar ist, - einen Verbindungsbereich (4), über den die Einrichtung (1) mit einem bewegbaren Abfallbehälter (5) verbindbar ist.
  2. Einrichtung (1) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend zumindest eines der folgenden Elemente: - einen Biomasseeinlass (6), - einen Überlauf (7), - eine Öffnung (14) für ein oder mehrere Prozessmittel, - einen Sauerstoffauslass (15).
  3. Einrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbindungsbereich (4) dazu eingerichtet ist, eine gasdichte Verbindung bereitzustellen.
  4. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (1) einen Raum (8), in den Biomasse (9) einbringbar ist, begrenzt.
  5. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (1) dazu eingerichtet ist, den Abfallbehälter (5) in mehrere Prozesszonen (10, 11, 12) zu unterteilen.
  6. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fassungsvermögen des Abfallbehälters (5) kleiner als 2 m3 ist.
  7. System zum Erzeugen von Biogas (2), umfassend: - eine Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - ein Trennelement (16), das beabstandet zu der Einrichtung (1) in dem Abfallbehälter (5) anordenbar ist.
  8. Vorrichtung (13) zum Erzeugen von Biogas (2), umfassend: - einen bewegbaren Abfallbehälter (5), - einen Raum (8), in den Biomasse (9) einbringbar ist, - einen Gasauslass (3), der mit dem Raum (8) verbunden und mit einem Gasanschluss verbindbar ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (13) nach Anspruch 8, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines bewegbaren Abfallbehälters (5), b) Bereitstellen zumindest einer Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines Systems nach Anspruch 7, c) Verbinden der Einrichtung (1) mit dem Abfallbehälter (5).
  10. Verwendung zumindest einer Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, eines Systems nach Anspruch 7 oder einer Vorrichtung (13) nach Anspruch 8 zum Erzeugen von Biogas (2).
DE102018111890.2A 2018-05-17 2018-05-17 Einrichtung zum Erzeugen von Biogas Withdrawn DE102018111890A1 (de)

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