DE19515669C2 - Process for regenerative energy generation by linking a fermentation plant for biogenic organic substances with a fuel cell - Google Patents

Process for regenerative energy generation by linking a fermentation plant for biogenic organic substances with a fuel cell

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Ener­ gie durch Biomassevergärung, bei dem biogen organische Stoffe einem Biogasreaktor zugeführt, dort entgast und die entgasten Anteile konditio­ niert und nachfolgend in einer Brennstoffzelle verstromt werden.The invention relates to a method for generating electrical energy by biomass fermentation, in which biogenic organic substances Biogas reactor supplied, degassed there and the degassed portions conditio nated and subsequently turned into electricity in a fuel cell.

In der Bundesrepublik Deutschland sind seit einigen Jahren neben tradi­ tionellen Faultürmen von Kläranlagen und landwirtschaftlichen Biogasan­ lagen auch Biogasanlagen zur Vergärung von festen kommunalen Abfäl­ len entstanden. In the Federal Republic of Germany, in addition to tradi tional digesters of sewage treatment plants and agricultural biogasan there were also biogas plants for fermenting solid municipal waste len emerged.  

Über die energetische Nutzung des anfallenden Biogases hat man sich bisher nur im konventionellen Rahmen Gedanken gemacht. Die Verbren­ nung und Verstromung des Biogases in Blockheizkraftwerken mit Hilfe von Gasmotoren oder Gasturbinen sind heute das Mittel der Wahl.One has been informed about the energetic use of the resulting biogas previously thought only in the conventional framework. The burns Generation and electricity generation of the biogas in combined heat and power plants with the help of Gas engines or gas turbines are the means of choice today.

Im vorliegenden Konzept sollen der Wirkungsgrad der Verstromung erhöht und die Emissionen dieser Energiekonvertierung erhöht und die Emissio­ nen dieser Energiekonvertierung reduziert werden. Um diese Ziele zu er­ reichen, wird eine Brennstoffzelle zur elektrochemischen Energiewandlung eingesetzt.In the present concept, the efficiency of electricity generation should be increased and the emissions of this energy conversion increases and the emissio this energy conversion can be reduced. To achieve these goals will suffice, a fuel cell for electrochemical energy conversion used.

Allgemeiner Stand der Entwicklung heuteGeneral state of development today

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von Biogasanlagenanbietern, deren Ziel es ist, öffentliche Deponieflächen und Müllverbrennungsanlagen durch Vergärung von Müll zu entlasten (Scherer, P. A., Stand der Technik zur Vergärung fester Abfallstoffe, Umweltaspekte, Prinzipien, Varianten. Ab­ fallwirtschafts Journal 5, S. 909-916, 1993)There are now a large number of biogas plant providers whose goal is to relieve public landfill areas and waste incineration plants by fermenting waste (Scherer, PA, state of the art for the fermentation of solid waste materials, environmental aspects, principles, variants. Ab Fallwirtschafts Journal 5 , p. 909 -916, 1993)

Diese hat neben einer negativen energetischen Bilanz den Nachteil, dass sie durch die nur sehr aufwendig zu beseitigende Geruchsbelästigung so­ wie aus Hygienebedenken Akzeptanzprobleme in der Bevölkerung er­ zeugt.In addition to a negative energy balance, this has the disadvantage that it through the odor nuisance, which can only be eliminated with great effort as from hygiene concerns he acceptance problems in the population testifies.

Das Wertstoffpotential des Kompostes und das Energiepotential des ent­ stehenden Biogases wird häufig unterbewertet.The resource potential of the compost and the energy potential of the ent standing biogas is often undervalued.

Aus der nachveröffentlichten DE 195 11 734 A1 ist ein Verfahren zur Er­ zeugung elektrischer Energie aus Biorohstoffen bekannt, bei denen bei der Vergärung von Biomassen Gase anfallen, die einer Brennstoffzelle als Brennstoff zuführbar sind, um daraus elektrische Energie zu erzeugen. Das entstehende Biogas kann vor der Nutzung in der Brennstoffzelle noch einer Konditionierung, z. B. einer Reformierungsreaktion, unterworfen wer­ den.From the post-published DE 195 11 734 A1 is a method for Er generation of electrical energy from bio-raw materials known, in which the fermentation of biomass gases are incurred which are considered a fuel cell Fuel can be supplied to generate electrical energy. The resulting biogas can still be used in the fuel cell  conditioning, e.g. B. subjected to a reforming reaction the.

In der DE 38 40 517 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ener­ gieerzeugung aus Biomasse beschrieben, wobei die Biomasse gegebe­ nenfalls siliert bzw. pelletiert und einer Biogaseinrichtung zugeführt wird, in der Biogas und Naturdünger erzeugt wird. Das Biogas und/oder Erdgas aus einem öffentlichen Gasnetz wird in einer ersten Vorrichtung verbrannt und in Wärmeenergie und/oder elektrische Energie umgewandelt. Mit der durch die erste Vorrichtung erzeugten elektrischen Energie und gegebe­ nenfalls durch elektrische Energie aus einem öffentlichen Stromnetz wird eine Elektrolyszelle betrieben, in der Wasser in Wasserstoff und Sauer­ stoff aufgespalten wird. Wasserstoff und Sauerstoff können in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt werden, der Sauerstoff kann jedoch auch zur Verbesserung der Qualität von Abwasser verwendet werden. Der Wasserstoff kann in einer Speichereinrichtung ge­ speichert und/oder in einer zweiten Vorrichtung in Wärmeenergie und/oder in elektrische Energie umgewandelt werden oder zum Antrieb von mit Wasserstoffmotoren ausgerüsteten Fahrzeugen verwendet werden.DE 38 40 517 A1 describes a method and a device for energy gie generation from biomass described, the biomass given if necessary ensiled or pelleted and fed to a biogas facility, in which produces biogas and natural fertilizers. The biogas and / or natural gas from a public gas network is burned in a first device and converted into thermal energy and / or electrical energy. With the electrical energy generated by the first device and given electrical energy from a public power grid an electrolys cell operated in the water in hydrogen and acid material is split. Hydrogen and oxygen can be combined in one Fuel cells can be converted back into electrical energy However, oxygen can also improve the quality of wastewater be used. The hydrogen can be stored in a storage device stores and / or in a second device in thermal energy and / or be converted into electrical energy or to drive with Vehicles equipped with hydrogen engines are used.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.It is an object of the present invention, a method of the beginning to improve the type mentioned.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.This object is specified by a method with those in claim 1 resolved characteristics.

Vorteile der Erfindung im Vergleich zu bisherigen VerfahrenAdvantages of the invention compared to previous methods Elektrischer WirkungsgradElectrical efficiency

Der elektrische Wirkungsgrad von Gasmotoren und Gasturbinen liegt der­ zeit zwischen 18 und 32%. Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoff­ zellen liegt zwischen 40% und 60% je nach Brennstoffzellensystem. The electrical efficiency of gas engines and gas turbines is the time between 18 and 32%. The electrical efficiency of fuel cells is between 40% and 60% depending on the fuel cell system.  

Der Unterschied zwischen den Systemen ist durch den unterschiedlichen Umwandlungsprozeß bedingt. Für Verbrennungsprozesse ist es der Car­ not-Prozeß und für Brennstoffzellen ein elektrochemischer Prozeß. Der Unterschied wirkt sich besonders bei kleineren Leistungsgrößen aus, da dort eine aufwendige Energieumwandlung unter Ausnutzung der Abwärme bei Verbrennungsprozessen unwirtschaftlich ist.The difference between the systems is due to the different Conversion process conditional. It is the car for combustion processes emergency process and an electrochemical process for fuel cells. The The difference is particularly important for smaller power sizes, because there a complex energy conversion using the waste heat is uneconomical in combustion processes.

Besonderes Augenmerk ist darauf zu richten, dass der elektrochemische Prozeß nahezu (ab einer bestimmten Mindestleistungsgröße, die von der Brennstoffzellenart abhängig ist) leistungsabhängig einen hohen Wir­ kungsgrad liefert, sich also geradezu für eine Vergärungsanlage, d. h. für den mikrobiellen Abbau von biogen organischen Stoffen mit kleiner und mittlerer Leistung anbietet.Particular attention should be paid to the fact that the electrochemical Process almost (from a certain minimum output size, which of the Fuel cell type is dependent) performance-dependent a high We degree of efficiency, that is, almost for a fermentation plant, d. H. For the microbial breakdown of biogenic organic substances with small and offers medium performance.

Neben der günstigeren Energiebilanz, die ja auch ein Kohlendioxid- Einsparpotential mit sich bringt, lohnt es sich, auch die Emissionsseite zu betrachten. Wegen der hohen Anforderungen an die Reinheit des Brenn­ stoffs und aufgrund der brennstoffzellenspezifischen Umsetzung in elektri­ sche Energie liegen auch die NOx, SO2 und CO-Emissionswerte um Größenordnungen (ca. Faktor 100) niedriger als bei den Verbrennungs­ prozesen (Leo) J. M. J. Blomen & Michael N. Mugerwa, Fuel cell systems 1993, S. 181 fff.).In addition to the cheaper energy balance, which also has the potential to save carbon dioxide, it is also worth considering the emissions side. Due to the high demands on the purity of the fuel and due to the fuel cell-specific conversion into electrical energy, the NO x , SO 2 and CO emission values are orders of magnitude (approx. Factor 100) lower than in the combustion processes (Leo) JMJ Blomen & Michael N. Mugerwa, Fuel cell systems 1993, pp. 181 ff.).

Da Brennstoffzellen außer Gebläsen und Pumpen keine sich bewegenden Teile enthalten und anders als bei Kolbenmaschinen keine Schwingungen und Explosionen auftreten, sind sie leiser als herkömmliche Technik. Not­ wendige Lärmschutzmaßnahmen entfallen. Gerade diese Kriterien gekop­ pelt mit der geruchs- und keimarmen Vergärung und ihrem geringeren Platzbedarf im Vergleich zur Kompostierung, sollten in der Lage sein, die Akzeptanz für eine dezentrale Bioabfallverwertung in der "Nachbarschaft" zu erhöhen. Because fuel cells other than blowers and pumps do not move Parts contain and, unlike piston machines, no vibrations and explosions occur, they are quieter than conventional technology. distress agile noise protection measures are eliminated. Just copied these criteria pelt with the low-odor and low-germ fermentation and its lower Space requirements compared to composting should be able to Acceptance for decentralized bio-waste recycling in the "neighborhood" to increase.  

Wartung und BetriebskostenMaintenance and operating costs

Der Wartungsaufwand und die Betriebskosten sind aufgrund des Fehlens bewegter Teile und der Modulbauweise der Anlage gering.The maintenance and operating costs are due to the lack moving parts and the modular construction of the system.

VerfügbarkeitAvailability

Die Modulbauweise hat den Vorteil, dass für eine Wartung die Anlage nicht stillgelegt werden muss, sondern die defekten Teile (z. B. ver­ brauchte Elektroden) sukzessive ausgetauscht werden können. Für die sichere Energieversorgung erübrigt sich damit eine redundante Ausle­ gung. Die Verfügbarkeit liegt bei über 98%.The modular design has the advantage that the system can be serviced does not have to be shut down, but the defective parts (e.g. ver needed electrodes) can be successively replaced. For the secure energy supply eliminates the need for redundant readout supply. The availability is over 98%.

Verfahrensbeschreibungprocess Description

Vergärbare Biomasse in Form von Reststoffen verschiedenster Art (z. B. Klärschlamm, Gülle, landwirtschaftliche, industrielle, kommunale Abfälle) wird in einer Vergärungsanlage unter anaeroben, meso- oder thermophi­ len Bedingungen mikrobiell umgesetzt. Das dabei anfallende Biogas wird einer Gaskonditionierung zugeführt, die die notwendigen Voraussetzun­ gen für die nachfolgende, interne oder externe Reformierung (je nach Brennstoffzellentyp) schafft.Fermentable biomass in the form of various types of residues (e.g. Sewage sludge, liquid manure, agricultural, industrial, municipal waste) is in a fermentation plant under anaerobic, meso- or thermophi conditions implemented microbially. The resulting biogas becomes to a gas conditioning that meets the necessary requirements conditions for subsequent, internal or external reforming (depending on Fuel cell type) creates.

Die Gaskonditionierung kann die Abtrennung von Störstoffen, die Entfer­ nung von Störgasen, eine Reduzierung der Feuchte sowie eine Anreiche­ rung des Methangehalts umfassen.Gas conditioning can remove contaminants, remove them interfering gases, a reduction in humidity and an enrichment methane content.

Eine eventuelle Speicherung des Biogases mit Pufferfunktion kann je nach Verfahrensart des Biogasreaktors vorgesehen werden. A possible storage of the biogas with buffer function can depend on Process type of the biogas reactor can be provided.  

Das in einem endothermen Prozeß (Steam-Reforming) zu Wasserstoff umgewandelte Biogas wird in der Brennstoffzelle elektrochemisch ver­ stromt. Die dafür notwendige Energie wird unter anderem einem Teilstrom des Biogases entnommen.This in an endothermic process (steam reforming) to hydrogen converted biogas is electrochemically ver stromt. The energy required for this is, among other things, a partial flow taken from the biogas.

Die im Brennstoffzellenprozeß entstehende Wärme wird über einen Se­ kundärkreislauf oder auch direkt der Biogasanlage zur Erhaltung ihrer Ar­ beitstemperatur zugeführt.The heat generated in the fuel cell process is over a Se secondary cycle or directly from the biogas plant to maintain its ar working temperature.

Je nach Brennstoffzellentyp dient die Abwärme der Brennstoffzelle auch der Vorheizung des zu reformierenden Biogases.Depending on the fuel cell type, the waste heat from the fuel cell also serves the preheating of the biogas to be reformed.

Die Abwärme aus Brennstoffzelle oder Reformer kann sowohl in der Bio­ gasanlage als auch zur Trocknung des Kompostes eingesetzt werden.The waste heat from the fuel cell or reformer can be found in the bio gas system as well as for drying the compost.

Das Prozeßabwasser der Brennstoffzelle kann als Prozeßwasser für den Reformierprozeß oder den Bioprozeß eingesetzt werden.The process waste water from the fuel cell can be used as process water for the Reforming process or the bioprocess can be used.

Die den Biogasreaktor verlassende Restbiomasse gelangt zur Stabilisie­ rung in eine Nachrotte und steht danach als hochwertiger Kompost zur Verfügung.The residual biomass leaving the biogas reactor is stabilized into a rotting and is then available as high-quality compost Available.

Wird der Bioprozeß derart gefahren, dass ein flüssiger Brennstoff z. B. ein Alkohol produziert wird, schließt die Konditionierung eine Flüssigbrenn­ stoffkonditionierung für eine direkt elektrochemische Oxidation in einer entsprechenden Brennstoffzelle ein. Die Prozeßabwärme kann z. B. zur Destillation des Flüssigbrennstoffs verwandt werden.If the bioprocess is run in such a way that a liquid fuel e.g. B. a Alcohol is produced, the conditioning includes a liquid burning material conditioning for direct electrochemical oxidation in one corresponding fuel cell. The process waste heat can, for. B. for Distillation of the liquid fuel can be used.

Auch hier kann z. B. ein Teil der im Brennstoffzellenprozeß entstehende Abwärme über einen Sekundärkreislauf oder auch direkt dem Fermeter zur Erhaltung seiner Betriebstemperatur zugeführt werden. Again, z. B. part of the resulting in the fuel cell process Waste heat via a secondary circuit or directly to the fermeter to maintain its operating temperature.  

Die Abwärme aus der Brennstoffzelle kann zudem z. B. zur Trocknung des Kompostes eingesetzt werden. Ebenso kann das Prozeßabwasser für den Bioprozeß eingesetzt werden. Ebenfalls gelangt die den Fermeter (Bio­ gasreaktor) verlassende Restbiomasser zur Stabilisierung in eine Nach­ rotte und steht als Kompost zur Verfügung.The waste heat from the fuel cell can also, for. B. to dry the Compost can be used. The process wastewater for the Bioprocess can be used. The Fermeter (Bio residual biomass for stabilization in a post rot and is available as compost.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Biomasse­ vergärung, bei dem biogen organische Stoffe einem Biogasreaktor zugeführt, dort entgast und die entgasten Anteile konditioniert und nachfolgend in einer Brennstoffzelle verstromt werden, dadurch gekennzeichnet,
  • a) dass das erzeugte Prozessgas nach Verlassen des Biogasre­ aktors von Schwebstoffen gereinigt und Störgase entfernt wer­ den,
  • b) dass der Methangehalt im Prozessgas angereicht wird,
  • c) dass der Feuchtegehalt des Prozessgases reduziert wird,
  • d) dass das Prozessgas aus dem Biogasreaktor brennstoffzellen­ typspezifisch unter möglicher Ausnutzung eines Teils des ge­ wonnenen Methangases konditioniert wird,
  • e) dass die bei der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle frei werdende Wärme zur Prozesswärmeversorgung für den Fer­ mentationsprozess herangezogen wird,
  • f) dass die bei der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle frei werdende Wärme zur Prozesswärmeversorgung für den Re­ formierungsprozess herangezogen wird, und
  • g) dass das den Biogasreaktor verlassende Produkt einer Nach­ rotte zugeführt wird, deren Feuchte durch die Prozessabwärme aus der Brennstoffzelle und/oder dem Reformer reduziert wird.
1. A process for the generation of electrical energy by biomass fermentation, in which biogenic organic substances are fed to a biogas reactor, degassed there and the degassed portions are conditioned and subsequently converted into electricity in a fuel cell, characterized in that
  • a) that the process gas generated after leaving the biogas actuator is cleaned of suspended matter and interfering gases are removed,
  • b) that the methane content is enriched in the process gas,
  • c) that the moisture content of the process gas is reduced,
  • d) that the process gas from the biogas reactor is fuel-type-specifically conditioned, with the possible use of part of the methane gas obtained,
  • e) that the heat released during the energy conversion in the fuel cell is used for process heat supply for the fermentation process,
  • f) that the heat released during the energy conversion in the fuel cell is used for process heat supply for the reforming process, and
  • g) that the product leaving the biogas reactor is fed to a rot, the moisture of which is reduced by the process waste heat from the fuel cell and / or the reformer.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme aus dem Reformierprozeß neben einer Vorwär­ mung des Feedgases, falls die Arbeitstemperartur des Brennstoff­ zellenprozesses geringer als die des Reformers ist, ebenfalls zur Prozeßwärmeversorgung für den Fermentationsprozeß herangezo­ gen wird.2. The method according to claim 1, characterized, that the waste heat from the reforming process in addition to a preheat tion of the feed gas, if the working temperature of the fuel cell process is less than that of the reformer, also for Process heat supply for the fermentation process will. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung elektrischer Energie durch Vergärung, bei dem der biogen organische Stoff einer Vergärungsanlage zugeführt, der entstehende Flüssigbrennstoff in Form eines Alkohols konditioniert und nachfolgend in einer Brennstoffzelle verstromt wird.3. The method according to claim 1, characterized, that to produce electrical energy by fermentation, in which the biogenic organic matter is fed to a fermentation plant, the resulting liquid fuel is conditioned in the form of an alcohol and subsequently converted into electricity in a fuel cell. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigbrennstoff nach Verlassen der Vergärungsanlage von Störstoffen gereinigt wird. 4. The method according to claim 3, characterized, that the liquid fuel after leaving the fermentation plant is cleaned of contaminants.   5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung und Konditionierung unter Abwärmeausnutzung durchgeführt wird.5. The method according to claim 3 and 4, characterized, that the separation and conditioning using waste heat is carried out. 6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme aus dem Brennstoffzellenprozeß zur Erhaltung der Prozeßwärme für den Vergärungsprozeß herangezogen wird.6. The method according to claim 3, 4 or 5, characterized, that the waste heat from the fuel cell process for conservation the process heat is used for the fermentation process. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Edukt Wasser aus der Brennstoffzelle als Prozeßwasser für den Reformierprozeß oder für den Bioprozeß genutzt wird.7. The method according to any one of claims 3 to 6, characterized, that the educt water from the fuel cell as process water for the reforming process or for the bioprocess is used.
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