DE19651210A1 - Verfahren zur Erwärmung des Substrates in einer Biogasanlage durch Wärmerückgewinnung aus einem Ernteguttrockner - Google Patents
Verfahren zur Erwärmung des Substrates in einer Biogasanlage durch Wärmerückgewinnung aus einem ErnteguttrocknerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung des Substrates, das bei
einem biochemischen Vorgang in einem Fermenter einer Biogasanlage erwärmt
werden muß, durch Nutzung der Abwärme aus einem Ernteguttrockner. Die Erfin
dung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die Biogasanlage ist eine bekannte Methode, um aus biologischer Substanz
auf dem biochemischen Weg Methangas zu erzeugen. Als biologische Substanz
wird vor allem die Exkremente von Tieren, sei es Großvieh, Schweine oder Hühner,
verwendet. Es können aber auch andere organische Substanzen wie Grünschnitte,
Rübenblätter und Kartoffelkraut, Silage, sowie Lebensmittel oder Abfallfette, einer
Fermentierung zugeführt werden. Der biochemische Vorgang erfolgt durch die Arbeit
von Bakterien verschiedener Stämme. Das vergorene Substrat eignet sich
vorzüglich zur Ausbringung als Dünger, mit dem Vorteil der nahezu völligen Geruch
losigkeit und ausgezeichneten Umweltverträglichkeit für die Bodenfauna und -flora.
Der Nutzen dieser Biogasanlagen besteht aber nicht nur in diesen Vorteilen
bezüglich der Umweltbelange sondern vorwiegend zur Energiegewinnung. Der
Hauptbestandteil dieses sog. Biogases besteht, neben Kohlendioxid und anderen
Spuren von Gasen, aus ca. 60% Methan (CH4). Dieses Gas ist der wertvolle Bes
tandteil und kann sowohl durch direkte Verbrennung, als auch durch thermische Um
setzung in einer Kraft-Wärmekopplung zur Stromerzeugung, genutzt werden.
In beiden Fällen entsteht Wärme bzw. Abwärme, von der jedoch ein Teil
dem Substrat für den biochemischen Prozeß zurückgeführt werden muß. Da die
Vergärung in einem Fermenter anaerob statt findet, entsteht keine Eigenerwärmung.
Diese Bakterienkultur muß also um zu entstehen und dann leistungsfähig arbeiten
zu können auf eine günstige Arbeitstemperatur gebracht und gehalten werden. Die
derzeit üblichen Biogasanlagen arbeiten im mesophilen Temperaturbereich, das ist
zwischen 20°C und 40°C. Neuerdings gelingt es mit thermophilen Bakterien ober
halb von 45°C noch günstigere Werte mit einer Biogasanlage zu erhalten.
Der Wärmeanteil, der von der Gasenergie zur Eigenerwärmung wieder
zurückgeführt werden muß, ist nicht unerheblich. Je nach baulicher Qualität und
Wärmeisolationen der Anlage, ist hierfür 30% bis 50% der Bruttowärme erforderlich.
Diese Energieminderung beeinträchtigt den wirtschaftlichen Erfolg leider erheblich.
Es wurden eine Reihe von Konstruktionen und Anlageverfahren vorgeschla
gen, mit denen diese Energiemenge zur Eigenerwärmung reduziert werden kann.
Neben entsprechendem Aufwand für Wärmeisolationen des Fermenters wurden
auch Wärmetauscher vorgeschlagen, die aus dem abfließenden vergorenen Sub
strat die Wärme in das zufließende Substrat zurückführen. Prozentual ist aber damit
kein großer Gewinn erzielt worden, da das Hauptvolumen im Fermenter, das
durchschnittlich das zwanzigfache des täglichen Austauschvolumens ist unter Ar
beitstemperatur gehalten, die meiste Energie benötigt. Beispielsweise ist bei einem
Durchsatz von 1 m3/Tag, bei einer Eingangtemperatur 10°C und einer Ausgangstem
peratur von 35°C, damit theoretisch maximal 105 MJ rückgewinnbar. Das wären bei
einer gleichzeitigen Bruttogasenergie von 2000 MJ weniger als 5%.
Die Energienutzung der Biogasanlagen beschränkte sich bis vor Jahren
hauptsächlich auf die Eigenversorgung des jeweiligen landwirtschaftlichen Betriebes
mit Wärme. Mittlerweile wird das gewonnene Biogas über ein Kraft-Wärmekopplung
in einem BHKW (Blockheizkraftwerk) verstromt. Die Nutzung des Stromes ist sowohl
durch Eigenversorgung als auch durch den Verkauf an das öffentliche Netz sehr
rentabel. Die dabei auch anfallende Abwärme wird einerseits für die Substrat
erwärmung benötigt anderseits zur Wärmeversorgung der Gebäude incl. Warm
wasser. Nachdem ca. 1/3 der Gasmenge bereits durch Verstromung genutzt wird,
verbleiben von den 2/3 Abwärme des BHKW's nach Abzug der Substraterwärmung
nur noch etwa 1/4 der ehemaligen Bruttoenergie als Brauchwärme übrig. Im Winter
kann damit nur ein Teil der Gebäudeheizung abgedeckt werden, im Sommer dage
gen sind die Nutzungsmöglichkeiten auf das Erwärmen des Brauchwassers
beschränkt wobei zu dieser Jahreszeit dann eine Restabwärme übrig bleibt, die
leider ungenutzt ins Freie abgeleitet werden muß.
Im Zeitalter des steigenden Energiebewußtseins ist, für diese ungenutzte
Energie eine sinnvolle Verwendung zu suchen. Hierbei bietet sich besonders gut die
Trocknung von Erntegütern wie z. B. Grüngut, bzw. Wiesengras an. Von April bis Ok
tober besteht bei Wiesengras diese Möglichkeit und Notwendigkeit, durch künstliche
Trocknung eine hochwertige Futterkonserve zu erzeugen. Bei der Untersuchung,
welche Trocknungskapazitäten aus dieser Restwärme möglich sind, zeigt sich aber,
daß diese verschwindend klein ist. Eine angeschlossene Trocknungsanlage würde
sich nicht auszahlen. Es ist also zu suchen, wie für die Trocknung mehr
Wärmeenergieausbeute erzielt werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, hier einen Weg vorzuschlagen, mit dem das
Energieangebot für den Trocknungsvorgang so erhöht wird, daß eine Koppelung
von Biogasanlage und Trocknung möglich und rentabel wird. Dies wird erfindungs
gemäß durch ein Verfahren, gem. Ansprüchen 1 und 2 sowie durch die dargelegte
Vorrichtung gemäß Anspruch 3 bis 5 gelöst.
Zunächst ist es erforderlich die Situation bei einem typischen Ernteguttrock
ner, wie er z. B. in der Patenschrift Nr. P 44 47 311 beschrieben ist, näher zu erläut
ern. Es handelt sich hierbei um einen Niedertemperaturtrockner, der mit einem
Temperaturgefälle von ∼150°C auf ∼65°C arbeitet. Jeder Trocknungsvorgang
benötigt um leistungsfähig arbeiten zu können, eine dem zu trocknenden Gut ange
paßte, möglichst hohe Eingangslufttemperatur, die dann durch die Verduns
tungskälte auf eine niedrige Ablufttemperatur absinkt. Bei dieser niedrigen
Temperatur ist die Abluft hochangereichert mit Wasserdampf. Umso wärmer diese
Abluft ist, umso mehr Wasser kann sie aufnehmen und damit abtransportieren, aber
auch umsomehr Wärme nimmt sie mit. Das, Temperaturniveau dieser Abluft liegt hier
günstigerweise oberhalb von 60°C.
Auf die Erfindung zurückkommend wird nun die Wärmeenergie, die primär
aus der Biogasnutzung anfällt und bisher zum Teil der Fermenterheizung zugeführt
wird, nun vollständig dem Trockner zugeführt. Je nach Art der Gasumsetzung in
Wärme, entsteht entweder Heißwasser, das bis zu 100°C haben kann, und/oder
aber Heißgase, die viel höher liegen. So liegt die Auspuffwärme eines BHKW's bei
ca. 600°C oder eine direkte Verbrennung über 1000°C. Da die Substrattemperartur
meist unter 50°C liegt, ist in allen Fällen ein erhebliches Temperaturgefälle vorhan
den, das beispielsweise für einen Trocknungsprozeß genutzt werden kann. Die
nach der Trocknung aus der stark angefeuchteten Abluft entziehbare Wärme bietet,
auch wenn ihre Temperatur wesentlich niedriger ist, ein erhebliches Potential an
Kondensationswärme. Die Versorgung des Substrates mit ausreichend Wärme ist
daher kein Problem.
Der Vorteil bei diesem Schema des Energieflusses liegt in der vollständigen
Nutzung der Bruttowärmeenergie für die Trocknung. In Zahlen ausgedrückt bedeutet
das am Beispiel einer Kraft-Wärme-Kopplung, daß aus der Gesamtabwärme statt
1/4 (25%) nun 2/3 (66%) dem Trocknungsprozeß zugeführt werden kann, also ein
Gewinn um mehr als das Doppelte.
Zur Durchführung dieses Energieflußschemas wird folgende Vorrichtung
vorgeschlagen. In der Abluft der Trocknungsanlage wird ein Wärmetauscher ange
bracht, der primär von dieser feuchtwarmen Abluft durchströmt wird und Wärme mit
dieser Temperatur aufnimmt, sekundär über den Kreislauf eines flüssigen Mediums
z. B. Wasser, an das Substrat wieder abgibt. Dieser Heizkreislauf kann, je nach bau
licher Vorgabe dieser Substratheizeinrichtung, diese Wärmeabgabe in die beste
hende Heizeinrichtung mit eingespeisen, oder über einen eigenen Wärmetauscher
auch getrennt abgeben. Je nach Betriebsart und Wärmeangebot kann diese Wärme
quelle aus der Abluft ganz, oder teilweise, die Wärmeenergie für die Substrat
erwärmung decken.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung dieser Vorrichtung ist eine Auffang
wanne unter dem Wärmetauscher für das anfallende Kondensat. Je nach örtlichen
Vorschriften und Situationen, unterliegt diese Flüssigkeit besonderen Entsorgungs
auflagen. Die einfachste Möglichkeit ist hierbei die Einleitung in den Fermenter zu
dem Gärprozeß.
Die Erfindung soll anhand der Fig. 1 näher erläutert werden.
Primärseitig wird in dem Fermenter (7), in dem sich das Substrat (8) befin
det durch die Erwärmung mit dem Heizsystem (9) Biogas erzeugt. Dieses wird über
die Leitung (6) der Kraft-Wärmekopplung (BHKW) bzw. einem alternativen
Wärmeumsetzer (5) zugeführt. Die dort entstehende Wärme bzw. Abwärme wird
über die Leitung (4) dem Trocknungsprozeß in Trockner (3) zugeführt. Im Trockner
(3) wird nach Feuchtigkeitsaufnahme und dabei stattfindender Abkühlung die Abluft
(2) durch den Wärmetauscher (1) geführt und verläßt bei (11) die Anlage.
Sekundärseitig wird der Kreislauf (13) zwischen Wärmetauscher (1) und
Fermenterheizsystem (9) über die Pumpe (15) gebildet, wobei das Ventil (12)
geöffnet ist und das (14) geschlossen. Zu Zeiten, zu dem der Trockner nicht in Be
trieb ist, also im Winter oder wenn kein Erntegut zu trocknen ist, kann dieser Kreis
lauf (13) durch Schließen des Ventils (12) und Öffnen des Ventils (14) still gelegt
werden. Es stellt sich dann der Normalkreislauf (17) zwischen der Wärmequelle (5)
und dem Fermenters (8) ein. Der zusätzliche Heizkreislauf (16) wird nur vollständig
keitshalber erwähnt und dient nur im Bedarfsfall zur Gebäudewärmeversorgung. Der
Thermostat (10) im Fermenter (7) überwacht die Temperatur des Substrates (8) und
schaltet bei Absinken der Substrattemperatur die Pumpe (15) ein.
Mit der Auffangwanne (19) im Wärmetauscher (1) kann das sich bildende
Kondensat aus der feuchten Abluft gesammelt werden und über die Rohrleitung
(18) dem Substrat (8) im Fermenter zugeführt werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur Erwärmung des Substrates in einer Biogasanlage auf die
erforderliche Gärtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche
Wärmeenergie ganz oder teilweise durch Rückgewinnung aus der Abluft eines
Ernteguttrockners stammt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Energieüber
angebot dieser Abluftwärme auch andere Wärmenutzer mitversorgt werden können.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 beste
hend aus einem Wärmetauscher (1) der mit seinem Primärkreislauf im Abluftstrom
(2) eines Ernteguttrockners (3) angeordnet ist und der mit seinem Sekundärkreislauf
(14), mittels eines flüssigen Mediums und einer Förderpumpe (17) einen Wärme
transport zu der Heizeinrichtung (9) des Substrates (8) bewirkt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 beste
hend aus einem Thermostaten, der die Temperartur des Substrates (8) überwacht
und die Förderpumpe (17), je nach Wärmebedarf ein- oder ausschaltet.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und anderen
Ansprüchen, bestehend aus einer Kondensatsammelwanne (19) unter dem Wärmetau
scher (1), die das Kondensat über eine Rohrleitung (18) dem Substrat (8) im Fer
menter (7) zuführt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19651210A DE19651210C2 (de) | 1996-12-10 | 1996-12-10 | Verfahren zur Erwärmung des Substrates in einer Biogasanlage durch Wärmerückgewinnung aus einem Ernteguttrockner |
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