DE19651210C2 - Verfahren zur Erwärmung des Substrates in einer Biogasanlage durch Wärmerückgewinnung aus einem Ernteguttrockner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung des Substrates, das bei einem biochemischen Vorgang in einem Fermenter einer Biogasanlage erwärmt wer­ den muß, durch Nutzung der Abwärme aus einem Ernteguttrockner. Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Die Biogasanlage ist eine bekannte Methode, um aus biologischer Substanz auf biochemischem Weg Methangas zu erzeugen. Als biologische Substanz werden vor allem die Exkremente von Tieren, sei es Großvieh, Schweine oder Hühner, ver­ wendet. 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 den genannten Vorteilen bezüglich der Umweltbelange, sondern vorwiegend in der Energiegewin­ nung. Der Hauptbestandteil des sog. Biogases besteht, neben Kohlendioxid und an­ deren Spuren von Gasen, aus c. a. 60% Methan (CH4). Dieses Gas ist der wertvolle Bestandteil und kann sowohl durch direkte Verbrennung, als auch durch thermische Umsetzung in einer Kraft-Wärmekopplung zur Stromerzeugung, genutzt werden.

In beiden Fällen entsteht Wärme bzw. Abwärme, von der jedoch ein Teil in das Substrat für den biochemischen Prozess zurückgeführt werden muß. Da die Vergärung in einem Fermenter anaerob stattfindet, entsteht keine Eigenerwärmung. Die entsprechende Bakterienkultur muß also, um zu entstehen und dann leis­ tungsfähig arbeiten zu können, auf eine günstige Arbeitstemperatur gebracht und auf dieser gehalten werden. Die derzeit üblichen Biogasanlagen arbeiten im meso­ philen Temperaturbereich, das ist zwischen 20°C und 40°C. Neuerdings gelingt es mit thermophilen Bakterien oberhalb von 45°C noch günstigere Werte mit einer Bio­ gasanlage zu erhalten.

Der Wärmeanteil, der von der Gasenergie zur Eigenerwärmung des Sub­ strats wieder zurückgeführt werden muß, ist erheblich. Je nach baulicher Qualität und Wärmeisolationen der Anlage, ist hierfür 30% bis 50% der Bruttowärme erfor­ derlich. Diese Energieminderung beeinträchtigt den wirtschaftlichen Erfolg.

Es wurden eine Reihe von Konstruktionen und Anlageverfahren vorgeschla­ gen, mit denen diese Energiemenge zur Eigenerwärmung reduziert werden kann. In der Offenlegungsschrift DE 44 20 111 wurde z. B. für den Anwendungsbereich der Abwas­ serklärung vorgeschlagen, Abfallwärme anderer Prozesse zur Anregung der Tätig­ keit der Mikroorganismen anzuwenden. Dieser Vorschlag entbehrt jedoch eines konkreten Ausführungsvorschlages. In der DE-OS 37 15 041 und DD 289 888 wurde die direkte Nutzung der Abwärme von Blockheizkraftwerken vorgeschla­ gen. Im einen Fall, um bei der Trinkwasseraufbereitung den Reinigungsprozess zu beschleunigen, im anderen Fall, um Güllesubstrat zu erwärmen. Beide Vorschläge sind mehr als naheliegend, da es zur grundlegenden Aufgabe eines Blockheizkraft­ werkes gehört, Nutzwärme zu erzeugen. Neben einem entsprechenden Aufwand für Wärmeisolationen des Fermenters wurden auch Wärmetauscher vorgeschlagen, die aus dem abfließenden vergorenen Substrat 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 Arbeitstemperatur gehalten, die meiste Energie be­ nötigt. Beispielsweise ist bei einem Durchsatz von 1 m³/Tag, bei einer Eingangstem­ peratur 10°C und einer Ausgangstemperatur 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 eine 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 Substraterwärmung benötigt, anderseits zur Wärmeversorgung der Gebäude incl. Warmwasser. Nachdem c. a. 1/3 der Gasmenge bereits durch Verstromung ge­ nutzt wird, verbleiben von den 2/3 Abwärme des BHKW's nach Abzug der Substrat­ erwärmung nur noch etwa 1/4 der ehemaligen Bruttoenergie, als Brauchwärme übrig. Im Winter kann damit nur ein Teil der Gebäudeheizung abgedeckt werden, im Sommer dagegen sind die Nutzungsmöglichkeiten auf das Erwärmen des Brauch­ wassers 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 Energieaus­ beute 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, gern. Ansprüchen 1 und 2, sowie durch die dargelegte Vorrichtung, gem. Ansp. 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 direkt der Fermenterheizung zu­ geführt wird, nun vollständig dem Trockner zugeführt. Je nach Art der Gasumset­ zung in Wärme, entsteht entweder Heißwasser, das bis zu 100°C haben kann, und/­ oder Heißgase, die viel höher liegen. So liegt die Auspuffwärme eines BHKW's bei c. a. 600°C, oder bei einer direkten Verbrennung über 1000°C. Da die Substrattem­ peratur meist unter 50°C liegt, ist in allen Fällen ein erhebliches Temperaturgefälle vorhanden, 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 einspeisen, oder über einen eigenen Wärmetauscher 7 auch getrennt abgeben. Je nach Betriebsart und Wärmeangebot kann diese Wärme­ quelle aus der Abluft ganz, oder teilweise, den Wärmebedarf 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 Entsorgung­ sauflagen. 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 Schießen 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 Anspr. 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei Energieüber­ angebot dieser Abluftwärme auch andere Wärmenutzer mitversorgt werden können.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspr. 1 u. 2 beste­ hend aus einem Wärmetauscher (1) der mit seinem Primärkreislauf im Abluftstrom (2) eines Ernteguttrockners (3) angeordnet ist und der mit seinem Sekundärkreislauf (13), mittels eines flüssigen Mediums und einer Förderpumpe (15) einen Wärme­ transport zu der Heizeinrichtung (9) des Substrates (8) bewirkt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspr. 1 bis 3 beste­ hend aus einem Thermostaten (10), der die Temperatur des Substrates (8) über­ wacht und die Förderpumpe (17), je nach Wärmebedarf ein- oder ausschaltet.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansp. 1 und anderen Anspr. 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.