DE102021005384A1 - Verfahren zum wirtschaftlichen Weiterbetrieb von Biogasanlagen nach Ende der 20-jährigen Förderung durch dasErneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) - Google Patents

Abstract

Mit einem neuen Verfahren sollen die aus der EEG-Förderung herausfallenden Biogasanlagen unter Verwendung der vorhandenen Infrastruktur weiterhin wirtschaftlich betrieben werden können. Dazu wird das bekannte BtE-Konzept der Firma Bi.En GmbH, Kiel um die Nutzung von Stroh zur Produktion von hochwertigem Brennstoff durch Auslaugung von brenntechnisch schädlichen Mineralstoffen erweitert. Dies geschieht überwiegend mit Pressflüssigkeiten aus dem BtE-Prozess. Weiterhin ersetzt das Stroh die Funktion des sonst in dem BtE-Prozess benötigten Festbettfermenters.

Description

• Das hier zum Patent angemeldete Verfahren hat primär die Produktion von sauberen, lagerungsfähigen Brennstoffen aus Abfallbiomassen zum Ziel und dürfte von besonderem Interesse für die wirtschaftliche Weiterführung von Bioenergiedörfern sein, denn sie müssen ihre Stromproduktion aus Biomasse auf den realen Bedarf des Dorfes reduzieren und Ihren Bedarf an Wärmeenergie hauptsächlich aus kostengünstiger Biomasse decken. Ebenso kann von großem Interesse die Brennstoffbelieferung für bislang mit Holz betriebene Heizwerke sein. In beiden Fällen bietet sich die preisgünstigere Herstellung von Briketts an.
• Gemeinhin sind Biogasanlagen so konzipiert, dass aus gehäckselten und als Silage konservierten Pflanzen wie Mais in einem Fermenter Biogas gewonnen wird. Aus dem Biogas kann in einem BHKW (Blockheizkraftwerk) ca. 40% Strom gewonnen werden. Die dabei entstehende Motorabwärme wird nur teilweise als Heiz- oder Trocknungsenergie genutzt, weil sich am Standort der Biogasanlage oft nicht genügend Wärmeabnehmer befinden und weil die Wärme hauptsächlich nur im Winterhalbjahr genutzt werden kann.
  Ein weiterer Nachteil der Biogastechnik besteht in der Tatsache, dass sich nur ca. 70 % der Pflanzenbestandteile nach längerer Verweilzeit im Fermenter in nutzbares Biogas umwandeln lassen. Der Rest bestehend aus Lignin, Zellulose und hohen Ammoniumgehalten muss als Gärrest wieder auf die Ackerflächen ausgebracht werden. Dies verursacht vergleichbar mit Gülle Umweltprobleme durch Überdüngung und durch Ammoniakemissionen. Zusätzlich haben in der Öffentlichkeit Biogasanlagen durch den als Monokulturen angesehenem vermehrten Anbau von Mais und in Zusammenhang mit der Gärrestausbringung verursachten Umweltproblemen an Akzeptanz verloren. Hinzu kommt, dass der aus Biogas produzierte Strom im Vergleich zu Wind- und Solarstrom deutlich teurer ist und damit im Rahmen des EEG (Erneuerbaren Energie Gesetz) mehr Zuschüsse erfordert.
  Als besonders problematisch wird sich die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen gestalten, wenn diese nach 20 Jahren aus der EEG-Förderung herausfallen.
• Davon betroffen sind die ersten 1.000 von insgesamt ca. 9.500 Anlagen schon ab dem Jahr 2021. Die Betreiber werden danach den produzierten Strom nur noch zu Marktpreisen verkaufen können. Allerdings besteht noch die Möglichkeit, durch Speicherung des Biogases Strom flexibel, das heißt in Phasen hoher Stromnachfrage mit höheren Preisen zu verkaufen. Diese Chance ist allerdings nur begrenzt nutzbar, weil Spitzenpreise nur in kurzen Tagesabschnitten erzielbar sind und daher zuvor die Biogasanlagenbetreiber für den Zubau großer Gasspeicher hohe Investitionen tätigen müssten.
  Im Gegensatz zu Wind- und Fotovoltaikanlagen, die nach Auslaufen der EEG-Vergütung zumindest auf kostenlose Energiequellen zurückgreifen können, ist eine herkömmliche Biogasanlage weiterhin mit hohen Kosten für das Biogassubstrat (z.B. Silomais) belastet, woraufhin in Zukunft wahrscheinlich die meisten Biogasanlagen ihren Betrieb aufgeben und teuer zurückgebaut werden müssen.
  Folglich muss nach Wegen gesucht werden, wie Biogasanlagen rentabel und ohne staatliche Förderung weiterbetrieben werden können. Das ist nur möglich, wenn kostengünstige Substrate erschlossen werden und aus diesen durch andere Konversionsverfahren und ohne große Substrat- und Energieverluste neben Biogas vor allem hochwertiger, lagerungsfähiger Brennstoffe (z.B. Pellets, Briketts) gewonnen und die Abwärme des Biogas-BHKW (Blockheizkraftwerk) voll genutzt wird. Dies gelingt mit dem vom Antragsteller und der Kieler Firma GETproject GmbH & Co.KG (jetzt Bi.En GmbH & Co.KG) entwickelten BtE-Verfahren, welches die hauptsächliche Produktion von Biobrennstoff in Form von Pellets oder Briketts und als Nebenprodukt von Biogas beinhaltet. Wesentlich bei diesem Verfahren ist, dass die Inhaltsstoffe der Biomasse für das Verfahren nur eine untergeordnete Rolle spielen, d.h. es können beliebige Pflanzen bzw. deren Reste sowie biogene Abfallstoffe (z.B. Laub) und somit alle für Nahrung und Futter unbrauchbaren Biomassen verwertet werden.
  Die zumeist feuchten Biomassen werden zerkleinert und siliert. Nach Entnahme aus dem Silo durchlaufen sie patentierte Maisch- und Reinigungsprozesse ( EP1829829A2 ) und werden dann über einen Pressvorgang in eine wasserarme, zur Produktion von Brennstoff geeignete feste und eine flüssige Phase getrennt. Die flüssige Phase enthält alle leicht löslichen organischen Inhaltsstoffe, die zu Biogas vergoren werden. Aus dem Biogas wird in einem BHKW Strom erzeugt und die Abwärme zur Trocknung des Brennstoffs genutzt. Der Pressvorgang führt zu einer Auslaugung von Mineralstoffen aus der festen Phase. Diese Mineralstoffe würden sonst bei der Verbrennung Korrosion und schädliche Emissionen verursachen. Dies sind in erster Linie Kalium, Chlorid und Stickstoff. Zusätzlich wird mit dieser Auslaugung das Ascheschmelzverhalten bei der Verbrennung nachweislich deutlich verbessert.
• (Diese Erkenntnisse werden auch auf das neue hier als Patent eingereichte Verfahren zur zusätzlichen Strohnutzung angewendet).
  Die in der Flüssigphase befindlichen Mineralstoffe werden mit der vergorenen und nur noch sehr wenig organische Substanz enthaltenden Restflüssigkeit als Dünger eingesetzt.
  Die Vergärung der in der Flüssigphase enthaltenen organischen Inhaltsstoffe erfolgt bei dem BtE-Verfahren in so kurzer Zeit, dass eine spezielle Fermentationstechnik (Festbettfermentation) erforderlich ist, damit die für die Biogasproduktion verantwortlichen Bakterien nicht aus dem Fermenter schneller ausgetragen werden als sie sich reproduzieren können. Deshalb muss immer ein Teil der Bakterien in einem im Fermenter befindlichen Festbett zurückgehalten werden. In der hier vorliegenden Patentanmeldung wird diese zusätzliche Investition umgangen.
  Die Abwärme des Biogas-BHKW wird vollständig für die weitere Trocknung der festen Phase genutzt. Das Endprodukt sind Pellets oder Briketts. Da die Abwärme vor Ort genutzt wird, ist der Standort der Anlage ortsunabhängig. Dies stellt einen weiteren Vorteil gegenüber herkömmlichen Biogasanlagen dar. Sie können einerseits ihre Wärme nur in Ortsnähe abgeben, stoßen aber andererseits wegen Geruchsbelästigung auf Widerstand in der Bevölkerung. Im Gegensatz zur herkömmlichen Biogastechnik wird die Nutzungseffizienz der Biomasse beim BtE-Verfahren um 30 bis 40 % gesteigert, während die Substratkosten in Form von Abfallbiomasse erheblich niedriger liegen.
• Die hier eingereichte Erfindung (s. Zeichnung) basiert auf einer zusätzlichen Variante des mit (A) gekennzeichneten BtE-Verfahrens.
  Das neue Verfahren wird in eine aus der EEG-Förderung ausgeschiedene Biogasanlage integriert. Damit erübrigen sich Investitionen in
• - Siloanlagen
• - Biogasfermenter
• - Nachgärbehälter und Gasspeicher
• - Blockheizkraftwerke (BHKW)
• Die Substratbasis für die Endprodukte Strom und Brennstoff wird durch zusätzlichen Einsatz von Stroh, das sehr kostengünstig auf jedem landwirtschaftlichen Betrieb zur Verfügung steht, wesentlich erweitert.
  Das Potential an energetisch nutzbarem Stroh in Deutschland wird auf ca. 8 Mio. Tonnen Öläquivalent geschätzt. Das entspricht dem Wärmebedarf von ca. 4 Mio. Haushalten.
  Das Stroh wird zerkleinert. Durch Siebung wird das feinste Material von einer gröberen Fraktion von bis zu ca. 3 cm Länge getrennt(B). Das sehr feine trockene, z.T. staubförmige Material wird feuchten und sonst schlecht silierbaren, aber kostengünstig zu erwerbenden Grünmassen wie Zwischenfrüchten, Grasschnitten von Grün- und Naturschutzflächen zugemischt. Damit wird ein für die Silierfähigkeit nötiger Trockensubstanzgehalt von ca. 25% erreicht(C). Durch den Siliervorgang, der auch auf Grund des unterschiedlichen zeitlichem Aufkommens der Biomassen als Ballensilage erfolgen kann, wird das Feinstroh-Grünmasse-Gemisch und, falls vorhanden, weitere silierte halmgutartige Restbiomasse aufgeschlossen und entsprechend dem BtE-Prozess nach Separierung in flüssige und feste Phasen getrennt. Aus diesen wird Biogas, Trocknungswärme und Brennstoff gewonnen.
  Der erste erfindungsgemäß wichtige Verfahrensschritt ist die Verwendung der gröberen Strohfraktion von bis zu ca. 3 cm Länge als Ersatz für den im BtE-Verfahren notwendigen Festbettfermenter. Das Stroh wird mit dem aus dem BtE-Verfahren gewonnenen Presssaft vermischt und dem Fermenter zugeführt (D). Reicht die dem Stroh zuzusetzende Flüssigkeit zur Erhaltung der Rührfähigkeit nicht aus, kann zusätzliche Flüssigkeit aus dem Verfahrensschritt (G) gewonnen werden. Das Stroh übernimmt jetzt die Funktion des Festbettes, weil die Biogasbakterien in dem zur Vermehrung notwendigem Zeitraum im Stroh, das nur geringfügig zu Biogas vergoren wird, festgehalten werden. So kann der bei einer herkömmlichen Biogasanlage vorhandene Fermenter, der die größte Investition beim Bau einer Biogasanlage darstellt, weiter genutzt werden.
  Im Fermenter werden die organischen Inhaltsstoffe der flüssigen Phase und geringe Anteile des Strohs zu Biogas vergoren. Das Restsubstrat, d.h. das meiste Stroh wird in dem Nachgärbehälter, der gleichzeitig auch als Gasspeicher dient, zwischengelagert. Erfindungsgemäß beinhaltet dieses Vorgehen die Nutzung des teilweise (biologisch/chemisch) aufgeschlossenen, aber nicht zu Biogas abgebauten Strohs die Weiterverarbeitung zu Brennstoff, indem es anschließend in eine flüssige und feste Phasen separiert wird (E). Dies ist im Gegensatz zu Gärresten wie z.B. aus Silomais möglich, weil die faserige Struktur des Strohs weitgehend erhalten und somit leicht entwässerbar ist. Aus diesem Stroh wurden die brenntechnisch störenden und umweltbelastenden Inhaltsstoffe weitgehend entfernt und in den Presssaft überführt. Dies ist der zweite neue Verfahrensschritt.
  Eine saubere Verbrennung von unbehandeltem Stroh scheitert bislang fast immer an den gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich Korrosionsverhalten, Feinstaubbildung und den von der Verbrennungstemperatur abhängigen NOx-Emissionen. Die Höhe der Verbrennungstemperatur ist vom Ascheschmelzverhalten abhängig, das wiederum durch den Mineralstoffaustrag deutlich verbessert wird.
  Zwar gibt es Versuche, bei denen Stroh solange auf dem Feld liegenbleibt, bis durch Regen Natrium und Chlorid ausgewaschen sind, allerdings ist das Risiko, das Stroh noch trocken bergen zu können, viel zu hoch. Es sind auch Versuche bekannt, bei denen geerntetes Stroh mit Wasser durchspült und mit hohem Energieaufwand getrocknet wird.
• Verfahrensmäßig neu ist die Auslaugung des Strohs mit dem nach dem BtE-Verfahren und ggf. nach Verfahrensschritt (G) anfallenden Presssaftes. Damit dient ein Wertstoff (Presssaft) für die Biogasgewinnung zuvor als Extraktionsmittel für Kalium, Chlorid und andere Mineralstoffe im Stroh.
• Das entwässerte Stroh wird mit der Abwärme des BHKW getrocknet und anschließend pelletiert oder brikettiert (F). Reicht die Abwärme nicht aus, kann als Wärmeenergie erzeugter Brennstoff genutzt werden. Die überwiegend nur noch mineralische Anteile enthaltende flüssige Phase wird zwischengelagert und dient als Dünger. Nach Bedarf kann über eine Rückführung (G) von Flüssigkeit aus dem Zwischenlager in den Fermenter das Verhältnis Stroh zu Flüssigkeit zur Erhaltung der Rührfähigkeit im Fermenter konstant gehalten werden. Auch ist zusätzlich eine Impfung mit den in der Flüssigkeit noch enthaltenen Biogasbakterien möglich.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1829829 A2 [0003]

Claims (9)

1. Verfahren zur Optimierung von Biogasanlagen dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Stroh zum Einsatz kommt aus dem durch einen neuartigen Auslaugungsprozess hochwertiger Brennstoff erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Stroh bis zu einer Halmlänge von ca. 3 cm zerkleinert wird.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feinsten Anteile des zerkleinerten Strohs durch ein Sieb abgetrennt und feuchten, sonst nicht silierfähigen Biomassen zugemischt und nach dem Siliervorgang dem BtE-Prozess zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der gröbere Anteil von ca. 1 bis ca. 3 cm Länge mit dem Presssaft aus dem BtE-Prozess vermischt wird und einem herkömmlichen Biogasfermenter zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strohzumischung zu Presssaft einen sonst zur Vergärung des Presssaftes benötigten Feststbettfermenter ersetzt.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nach einer bestimmten Verweilzeit im Fermenter das Stroh-Presssaft-Gemisch in einem Nachgärbehälter zwischengelagert und anschließend in eine feste und eine flüssige Phase mittels eines Pressvorgangs separiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Phase zur Optimierung des Stroh-Presssaft-Verhältnisses teilweise wieder zurückgeführt werden kann.
8. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Phase mit den darin noch enthaltenen Biogasbakterien als Impfung teilweise in den Fermenter zurückgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch den als Auslaugung bezeichneten Pressvorgang und einer anschließenden Trocknung ein überwiegend aus Stroh bestehender hochwertiger Brennstoff gewonnen wird, indem durch das Abpressen der größte Teil der brenntechnisch störenden Mineralstoffe daraus entfernt wird

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