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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von methanreichem Biogas via einer vorzugsweise vertikal strukturierten Pflanzenzuchtanlage, beispielsweise einem vertikalen Gewächshaus, wobei das als Ausgangsmaterial dienende Rohbiogas durch anaerobe Fermentation von Bio- und/oder Substratmasse erzeugt und dieses Rohbiogas anschließend einer biochemischen Entschwefelung und phytobiologischen Kohlendioxid-Reduzierung unterzogen wird.
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Technologischer Hintergrund der Erfindung
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Unter einem vertikalen Gewächshaus wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Pflanzenzuchtanlage verstanden, in der die Pflanzen im Gegensatz zum konventionell horizontalen Ackeranbau vertikal übereinander angeordnet in Etagen wachsen, wodurch eine maximale Produktivität pro Flächenbedarf resultiert. Die Versorgung mit Licht, Wasser und Nährstoffen wird zur Produktivitätssteigerung im Regelfall nicht den natürlichen klimatischen Bedingungen überlassen, sondern durch technische Aggregate sichergestellt.
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Biogas als umweltfreundliche Energiequelle hat zunehmende Bedeutung für die Deckung des Energiebedarfs im globalen Sinne. Es entsteht bei der anaeroben Fermentation organischer Abfallstoffe und nachwachsender Rohstoffe.
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Die Hauptbestandteile eines solchen Biogases sind Methan mit ca. 65 Vol.-% und Kohlendioxid mit ca. 35 Vol.-%. Biogas ist ein wasserdampfgesättigtes Mischgas und enthält neben den beiden Hauptbestandteilen auch geringe Mengen (ca. 1 Vol.-%) Stickstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak.
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Bei optimierten, anaeroben Fermentationsverfahren, z.B. zweistufigen Verfahren, werden Methangehalte von maximal 65 bis 75 Vol.-% erzielt. Unter methanreichem Biogas wird daher im Sinne der Erfindung ein Biogas mit einem Methangehalt von mehr als 75 Vol.-% verstanden. Dieses methanreiche Biogas hat einen Kohlendioxid-Gehalt von weniger als 25 Vol.-% und einen Sauerstoffgehalt von weniger als 5 Vol.-%. Der Schwefelgehalt (H2S) beträgt weniger als 0,1 Vol.-%.
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Biogas wird grundsätzlich genutzt zur:
- • Verbrennung in Gaskesseln (Wärmeerzeugung),
- • Verbrennung in Gasmotoren (Stromerzeugung) und
- • Einspeisung in Gasversorgungsnetze (z.B. Erdgasnetz).
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Bei den vorgenannten, unterschiedlichen Verwertungsarten müssen die benötigten Ausrüstungen und die Biogasqualität aufeinander abgestimmt werden. In der Regel ist eine Gasaufbereitung, insbesondere Entschwefelung, nötig.
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Wird Biogas (Rohbiogas) vor der Verbrennung nicht entschwefelt, ist die Betriebszeit der Kessel und Gasmotoren aufgrund der Korrosion unter normalen Bedingungen auf ca. 2-3 Jahre begrenzt.
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Die Einspeisung von unbehandeltem, insbesondere nicht entschwefeltem Biogas (Rohbiogas) in Gasversorgungsnetze ist daher regelmäßig ausgeschlossen.
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Zur Biogasentschwefelung werden Adsorptions- und Absorptionsverfahren eingesetzt, wobei in den letzten Jahren aus ökonomischen Gründen verstärkt biochemische Entschwefelungsverfahren angewendet werden.
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Das bei der anaeroben Fermentation anfallende Biogas enthält in der Regel keinen Sauerstoff oder nur geringe Mengen Sauerstoff.
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Der für die biochemische Oxidation notwendige Sauerstoff wird demzufolge dem zu entschwefelnden Biogas zugemischt, was in der Regel durch Luftzufuhr erfolgt. Dabei zu beachten ist, dass der spezifische Lufteintrag durch die untere Explosionsgrenze der brennbaren Bestandteile im Biogas begrenzt ist. Neben der Explosionsgefährdung ist die Inertisierung des Biogases durch den Stickstoffeintrag mit der Luft nachteilig.
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Der Kohlendioxidgehalt des unbehandelten Biogases liegt bei ca. 30 bis 40 Vol.-%. Gegenwärtig werden adsorptive und absorptive Verfahren zur Kohlendioxidentfernung eingesetzt.
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Der Einsatz von CO
2-angereicherter Luft oder angereichertem Wasser zur Verbesserung des Pflanzenwachstums in Gewächshäusern wird im Stand der Technik ausführlich beschrieben. Kohlendioxid wird dabei phytobiologisch in Biomasse überführt. Bei diesen Prozessen entsteht Sauerstoff. So beschreibt die
EP 2 622 956 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begasung von Kulturpflanzen mit einer Gasmischung aus Ethylen und Kohlendioxid. Das Gasgemisch wird vor Eindüsung ins Gewächshaus aus Umgebungsluft, Ethylen und handelsüblichen, reinem Kohlendioxid angemischt.
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Die
DE 2 706 584 C3 und die
DE 0 398 686 A1 beschreiben jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begasung von Pflanzen mit CO
2-haltiger Luft über den Wurzelbereich. Auch bei diesen Lösungen wird das Gasgemisch zuvor mit reinem Kohlendioxid angereichert.
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Aus der
DE 3 338 521 A1 ist ein Verfahren zum CO
2-Düngen von Pflanzenkulturen mittels CO
2-angereichertem Gießwasser oder einem CO
2-haltigen Luftgemisch bekannt, bei welchem sowohl das Wasser als auch die Luft mit handelsüblichen, reinem CO
2 angereichert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zur Produktion von methanreichem Biogas bereitzustellen, die eine effiziente, energetische und stoffliche Nutzung von Biogas und Gärrest ermöglichen.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein effektives und zuverlässiges Verfahren zur biochemischen Entschwefelung von Rohbiogas zu schaffen und das Kohlendioxid aus dem Biogas für die Kultivierung von Pflanzen zu nutzen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage nach Anspruch 5. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen enthalten.
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Das Verfahren zur Erzeugung von methanreichem Biogas umfasst die Schritte:
- a) Bereitstellen einer Biogasanlage mit einem Fermenter, einer biochemischen Entschwefelungsvorrichtung mit einem ersten Reaktor und zweiten Reaktor, einer Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung, einer Vorrichtung zur Pflanzenbiomasseaufbereitung und einer Pflanzenkultivierungsanlage;
- b) anaerobe Fermentation von Pflanzenreststoffen in dem Fermenter zu Rohbiogas;
- c) Einleiten des Rohbiogases in den ersten Reaktor der Entschwefelungsvorrichtung zusammen mit einer schwefel-armen Nährstofflösung aus der Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung und einer O2-reichen und CO2-armen Prozesslösung aus der Pflanzenkultivierungsanlage und biochemische Entschwefelung des Rohbiogases unter Erhalt eines entschwefelten Rohbiogases und einer O2-armen Prozesslösung;
- d) Einleiten des entschwefelten Rohbiogases in den zweiten Reaktor der Entschwefelungsvorrichtung zusammen mit der O2-armen Prozesslösung und Auswaschen von CO2 aus dem entschwefelten Rohbiogas mit der O2-armen Prozesslösung unter Erhalt eines CO2-armen, methanreichen Biogases und einer CO2-reichen Prozesslösung;
- e) Einleiten der CO2-reichen Prozesslösung in die Pflanzenkultivierungsanlage zusammen mit einer schwefel-reichen Nährstofflösung aus der Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung und phytobiologische CO2-Reduzierung innerhalb der Pflanzenkultivierungsanlage unter Erhalt der CO2-armen Prozesslösung und von Pflanzenbiomasse;
- f) Entnahme von Pflanzenbiomasse aus der Pflanzenkultivierungsanlage und Verarbeitung der Pflanzenbiomasse in der Vorrichtung zur Pflanzenbiomasseaufbereitung unter Erhalt von Pflanzenreststoffen, die zumindest teilweise im Fermenter umgesetzt werden.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die Einbeziehung einer Pflanzenkultivierungsanlage, zum Beispiel in Form eines vertikalen Gewächshauses, in die verschiedenen Prozessströme der Biogasanlage. So wird eine Prozesslösung zyklisch mit der Entschwefelungsvorrichtung gekoppelt und Pflanzenbiomasse zumindest in Teilen zum Betrieb des Fermenter verwendet. Das im Rohbiogas zunächst in höheren Anteilen vorhandene CO2 wird phytobiologisch durch die Kopplung an die Pflanzenkultivierungsanlage gebunden.
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Der nach der biochemischen Entschwefelung im ersten Reaktor anfallende O2-armen Prozesslösung kann in einer Abscheidevorrichtung Schwefel und/oder Schwefelsäure entzogen werden. Schwefel und/oder Schwefelsäure aus der Abscheidevorrichtung können zur Herstellung der schwefel-reichen Nährstofflösung in der Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung verwendet werden.
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Vorzugsweise werden der Gärrest aus der anaeroben Fermentation in der Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung zur Herstellung der schwefel-armen und schwefel-reichen Nährstofflösung verwendet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Biogasanlage mit einem Fermenter, einer biochemischen Entschwefelungsvorrichtung mit einem ersten Reaktor und zweiten Reaktor, einer Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung, einer Vorrichtung zur Pflanzenbiomasseaufbereitung und einer Pflanzenkultivierungsanlage, wobei die Biogasanlage zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens eingerichtet ist.
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Das Verfahren kann demnach mit den folgenden Verfahrensschritten betrieben werden:
- In einem Fermenter wird durch anaerobe Fermentation von Biomasse, die zumindest teilweise aus einer Pflanzenkultivierungsanlage stammt, vorzugsweise einem vertikalen Gewächshaus, Rohbiogas erzeugt.
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In einer Entschwefelungsvorrichtung erfolgt eine biochemische Entschwefelung des gewonnenen Rohbiogases, wobei in der Pflanzenkultivierungsanlage eine Prozesslösung mit Sauerstoff angereichert wird und zumindest ein Teil dieses Sauerstoffs in der Pflanzenkultivierungsanlage erzeugt wird, d.h. von Pflanzen stammt. Methanreiches Biogas fällt nachfolgend durch Kohlendioxidentfernung in einem Absorber an.
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In der Pflanzenkultivierungsanlage erfolgt einen phytobiologische Kohlendioxid-Verwertung des entschwefelten Biogases, wobei sauerstoffangereicherte Prozesslösung und Pflanzenbiomasse entstehen. Die sauerstoffangereicherte Prozesslösung wird (der ersten Stufe) der biochemischen Entschwefelung in der Entschwefelungsvorrichtung zugeführt.
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Pflanzenbiomasse in Form von Pflanzen wird zyklisch aus der Pflanzenkultivierungsanlage entnommen. In einer Aufbereitungsvorrichtung werden Pflanzenreststoffe zur Einspeisung in den Fermenter aufbereitet.
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Gärreste der anaeroben Fermentation werden in einer Nährstoffaufbereitungsvorrichtung zur Herstellung einer Nährstofflösung für die biochemische Entschwefelung und einer Nährstofflösung für die phytobiologische Kohlendioxid-Reduzierung innerhalb der Pflanzenkultivierungsanlage aufbereitet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung resultiert daraus, dass ein Biomasseaufschluss der Pflanzenbiomasse oder zusätzlich dazu von Substrat erfolgt, welche der anaeroben Fermentation zugeführt wird, um in der anaeroben Fermentation höhere Ausbeuten zu erzielen. Der Biomasse- und/oder Substrataufschluss erfolgt hierbei mechanisch, vorzugsweise durch Häckseln und/oder Ultraschallbehandlung.
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Der insbesondere im vertikalen Treibhaus gebildete Sauerstoff wird für die biochemische Entschwefelung genutzt. Es entsteht ein methanreiches Biogas, dass als hochwertiger Energieträger genutzt werden kann. In dem mehrstufigen Entschwefelungsverfahren wird Sauerstoff aus der sauerstoffangereicherten Prozesslösung, welche in dem vertikalen Gewächshaus erzeugt wird, zugeführt. Damit wird erreicht, dass der bei der phytobiologischen Kohlendioxid-Reduzierung entstehende Sauerstoff für die biochemische Entschwefelung genutzt wird und gleichzeitig die Methan-Konzentration im Biogas erhöht wird. Die nachteilige Sauerstoffzufuhr durch eine überwachte Belüftung für die Entschwefelung ist nicht erforderlich.
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Der nach der anaeroben Fermentation verbleibende Gärrest wird einer Nährstoffaufbereitung zugeführt, mit Hilfe derer eine Nährstofflösung, eingesetzt als Prozesslösung der biochemischen Entschwefelungsanlage, und eine Nährstofflösung, eingesetzt als Düngemittel für die Pflanzen des vertikalen Treibhauses, erzeugt wird.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung (Anlagenprinzip) der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von methanreichem Biogas in einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung einer Anlage zur biochemischen Entschwefelung von Rohbiogas, und
- 3 eine schematische Darstellung der Anlage zur Erzeugung von Nährstofflösungen für die Entschwefelung und für die Kultivierung von Pflanzen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt das Anlagenprinzip der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von methanreichem Biogas in einer bevorzugten Ausgestaltung mit einer integrierten Stufe eines Biomasseaufschlusses und einer Nährstoffaufbereitung.
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Diese Anlage zur Erzeugung von methanreichem Biogas umfasst folgende Komponenten: Einen Fermenter 1 für die anaerobe Fermentation von Biomasse zur Biogaserzeugung. Eine Entschwefelungsvorrichtung 2 zur biochemischen Entschwefelung. Einen Reaktor 2.2 zur Kohlendioxidentfernung, wobei das für die Pflanzenkultivierung in einer Pflanzenkultivierungsanlage 3 genutzt wird. Eine Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung 5 und eine Aufbereitungsvorrichtung 4 zum Biomasseaufschluss.
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Die Biogaserzeugung von Rohbiogas 7 erfolgt in üblicher Art und Weise in der ersten Stufe, der anaeroben Fermentation im Fermenter 1. Dabei wird insbesondere solche Pflanzenbiomasse 13 der Fermentation zugeführt, welche ohne Aufschluss gut verwertbar ist und/oder entsprechend aufgeschlossen ist.
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In der zweiten Stufe wird das in der ersten Stufe gewonnene Rohbiogas 7 entschwefelt. Diese biochemische Entschwefelung ist in 2 dargestellt und wird nachfolgend noch gesondert beschrieben.
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Der biologischen Entschwefelung schließt sich eine Kohlendioxidentfernung, hier in einem Reaktor 2.2 und deren Verwertung in der als vertikales Gewächshaus ausgebildeten Pflanzenkultivierungsanlage 3, als dritte Stufe an.
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Als Kohlendioxid-Verwerter werden in bekannter Art und Weise Pflanzen genutzt.
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Der von den Pflanzen produzierte Sauerstoff wird über eine Prozesslösung 12.1 in der biochemischen Entschwefelungsvorrichtung 2, genauer in dem Reaktor 2.1, zur Schwefelwasserstoffoxidation genutzt. Aus dem entschwefelten Biogas 9 wird in einer zweiten Stufe das Kohlendioxid absorptiv entfernt. Es entsteht ein methanreiches Biogas 17, welches anschließend in der üblichen Art und Weise abgesondert und damit einer Verwertung bzw. Nutzung zugeführt wird.
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Durch die phytobiologische Kohlendioxidumsetzung entsteht Pflanzenbiomasse 13. Diese wird aus der vertikalen Pflanzenkultivierungsanlage 3 zyklisch entnommen und in einer weiteren Stufe, dem Biomassenaufschluss in einer Aufbereitungsvorrichtung 4, beispielsweise mittels eines Häckslers oder einer Kugelmühle oder durch Ultraschallbehandlung, aufgeschlossen. Die aufgeschlossenen Pflanzenreststoffe 14 werden zur Biogaserzeugung im Fermenter 1 verwendet. Der Aufschluss weiterer pflanzlicher Substrate 18 ist möglich.
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Der Aufbereitungsvorrichtung 4 kann sich eine Pflanzenproduktaufbereitungsvorrichtung 6 für geeignete Pflanzenprodukte 16 anschließen.
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In einer fünften Stufe, der Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung 5, die näher in 3 dargestellt ist, wird der Gärrest 8 aus der anaeroben Fermentation über ein Membranverfahren derart aufgearbeitet, dass sowohl eine Nährstofflösung 15.1 für die biochemische Entschwefelungsvorrichtung 2 als auch eine Nährstofflösung 15.2 für die Pflanzen innerhalb der vertikalen Pflanzenkultivierungsanlage 3 entsteht, welche durch Schwefelverbindungen aus der Biogasentschweflung und andere Nährstoffe ergänzt wird.
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Die Nährstofflösung 15.2 enthält Phosphor, Stickstoff, Kalium und Kalzium, sowie Mikronährstoffe und Spurenelemente.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage zur biochemischen Entschwefelung von Rohbiogas 7.
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Die biochemische Entschwefelung des Rohbiogases 7 erfolgt in einer zweistufigen Anlage.
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Der für die biologische Oxidation notwendige Sauerstoff wird dem Rohbiogas 7 indirekt, gelöst in der Prozesslösung, zugeführt. Die Sauerstoffabsorption und die Schwefelwasserstoffoxidation erfolgen apparativ getrennt.
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Die beiden Reaktoren 2.1 und 2.2, vorzugsweise Füllkörperkolonnen, werden im Kreislauf von der Prozesslösung durchströmt. In der ersten Stufe, dem Bioreaktor 2.1, erfolgt die biochemische Schwefelwasserstoffoxidation mit Hilfe des in der Prozesslösung gelösten Sauerstoffs. Die Sauerstoff-angereicherte Prozesslösung 12.1 aus der Pflanzenkultivierungsvorrichtung 3 und das zu entschwefelnde Rohbiogas 7 werden im Gleichstrom durch den Bioreaktor 2.1 geführt. Der Schwefelwasserstoff wird biochemisch umgesetzt. Für die Schwefelwasserstoffoxidation sind chemolithotrophe Bakterien geeignet. Die Oxidationsprodukte Schwefel 11.1 und Schwefelsäure 11.2 werden der Prozesslösung über eine Abscheidevorrichtung 10, zum Beispiel durch Einstellen eines neutralen pH-Werts, entzogen.
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Um ein Aufsalzen der Prozesslösung zu vermeiden, wird zyklisch ein Teil der Flüssigkeit durch neue Nährstofflösung 15.1, wie in 3 dargestellt, ersetzt. Sie enthält die für die schwefelwasserstoffoxidierenden Mikroorganismen notwendigen Nährstoffe.
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Die ausgekreiste, sauerstoffarme Prozesslösung 12.2 wird in den Reaktor 2.2 eingetragen und mit Kohlendioxid aus dem entschwefelten Biogas 9 angereichert. Der Reaktor 2.2 wird im Gleichstrom von der sauerstoffarmen und kohlendioxidarmen Prozesslösung 12.2 und dem entschwefelten Biogas 9 durchströmt. Das Kohlendioxid aus dem Biogas 9 wird in der Prozesslösung 12.3 gelöst und in die Pflanzenkultivierungsanlage 3 eingebracht.
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Bei einer auftretenden Verblockung des Reaktors 2.1 durch abgelagerten Schwefel 11.1 und/oder Pflanzenbiomasse 13 ist die Gasführung und Führung der Prozesslösung des Reaktors 2.1 mit der Gasführung und Führung der Prozesslösung des Reaktors 2.2 zu wechseln. Der Wechsel der Gasführungen und der Führung der Prozesslösung ermöglicht eine Regenerierung des verblockten Systems.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fermenter
- 2
- Entschwefelungsvorrichtung
- 2.1
- erster Reaktor für die biochemische Entschwefelung
- 2.2
- zweiter Reaktor für die CO2-Absorption
- 3
- Pflanzenkultivierungsanlage
- 4
- Aufbereitungsvorrichtung
- 5
- Vorrichtung zur Nährstoffaufbereitung
- 6
- Vorrichtung zur Pflanzenproduktaufbereitung
- 7
- Rohbiogas
- 8
- Gärrest
- 9
- entschwefeltes Biogas
- 10
- Abscheidevorrichtung für Schwefel und Schwefelsäure
- 11.1
- Schwefel
- 11.2
- Schwefelsäure
- 12.1
- Prozesslösung, sauerstoffreiche, kohlendioxidarme Prozesslösung
- 12.2
- Prozesslösung, sauerstoffarme, kohlendioxidarme Prozesslösung
- 12.3
- Prozesslösung, sauerstoffarme, kohlendioxidreiche Prozesslösung
- 13
- Pflanzenbiomasse
- 14
- Pflanzenreststoffe
- 15.1
- Nährstofflösung ohne Schwefelverbindungen
- 15.2
- Nährstofflösung mit Schwefelverbindungen
- 16
- Pflanzenprodukte
- 17
- methanreiches Biogas
- 18
- pflanzliche Substrate
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2622956 A1 [0014]
- DE 2706584 C3 [0015]
- DE 0398686 A1 [0015]
- DE 3338521 A1 [0016]
