DE19724012A1

DE19724012A1 - Verfahren und Anlage zur Nutzung von Biomassen

Info

Publication number: DE19724012A1
Application number: DE1997124012
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl Ing Reichmann; Michael Dr Dipl Ing Heising
Original assignee: Individual
Current assignee: REICHMANN, JOERG, DIPL.-ING., 40699 ERKRATH, DE
Priority date: 1997-06-08
Filing date: 1997-06-08
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2017-06-09
Also published as: DE19724012C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur Nutzung von Biomassen, wie solche in Land- und Forstwirtschaft, in Siedlungs-, Gewerbe- und Industriegebieten, in Großküchen, in Heimen, in Haushaltungen, in Lebensmit telbetrieben od. dgl. anfallen.

In den letzten Jahren hat z. B. das ökologische Bauen immer mehr an Bedeutung gewonnen, wie dies unter anderem die erlassene Wärmeschutzverordnung erkennen läßt. Auch unter dem Aspekt der Verringerung des siedlungsbedingten CO₂-Aus stoßes stehen Energieeinsparungen auf vielen Gebieten im Vordergrund. Schwer punkt dieser Anstrengungen ist eine verbesserte Wärmedämmung bei Bauten, um mit möglichst wenig Heizenergie auszukommen. Es ist sogar schon der Begriff des "Null-Energie-Hauses" geprägt worden, wobei sich dieser Begriff wohl in der Hauptsache auf die Versorgung mit Heizwärme bezieht. Großer Wert wird auch auf die Nutzung der Bodenwärme und der Solarenergie gelegt. Darüber hinaus ist auch die Nutzung von Biomassen betrieben worden, wie dies die DE- PS 41 05 841.0-09 unter Beweis stellt.

Es ist unbestritten, daß mit dieser Entwicklung Verbesserungen erzielt wurden, jedoch fehlt es nach wie vor an Vorschlägen bzw. Wegen, um die bekannten Ver fahren so einzusetzen, daß eine optimale Nutzung von "schlafenden Energien" möglich erscheint, d. h. es ist bisher nicht gelungen, einzelne vorteilhafte Verfahren sinnvoll zu einem einheitlichen Ganzen zu verschmelzen, um dem heuti gen, im Vordergrund stehenden Bestreben nach ökologischem Handeln gerecht zu werden.

Demzufolge ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, Mittel und Wege anzugeben, um verfügbare Biomassen jeglicher Art optimal nutzen zu können und damit nicht nur den Bedarf an fossilen oder regenerativen Energie trägern abzusenken, sondern auch Kosteneinsparungen auf allen Gebieten bzw. in Bereichen zu ermöglichen, in denen bisher ungenutzte Biomassen vorhanden sind.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches festgehaltenen Maßnahmen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden alle ver fügbaren Biomassen oder Teile davon, z. B. in einem Siedlungsgebiet, zusammen gefaßt und einer Fermentation zugeführt, so daß tatsachlich eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Biomassen gegeben ist. Die aus dem Biogas gewonnene Energie wird in Form von Strom und/oder Wärme bzw. Kälte in den je weiligen Gebieten, z. B. in Siedlungen oder Gewerbegebieten, genutzt und bei einem Überhang gegebenenfalls an vorhandene Strom- oder Wärmenetze weiterge leitet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden auch die Kommunen in Sa chen der Abfallbeseitigung ganz wesentlich entlastet, denn anfallende Fäkalien, Speisereste, Küchenabfälle, Gartenabfälle, Grünschnitt usw. müssen nicht mehr kostenaufwendig entsorgt werden, im Gegenteil, diese Biomassen werden vorteil haft genutzt.

Wenn man sich der Lehren der Ansprüche 2 und 3 bedient, werden die genannten Vorteile noch vertieft, denn durch diese Maßnahmen werden z. B. die in Haus halten, Großküchen, Heimen od. dgl. anfallenden Fäkalien mit Hilfe der Vakuum technik getrennt vom übrigen Grauwasser gesammelt und lediglich mit einer ge ringen Menge an Wasser weitergeleitet, so daß erheblich an Trinkwasser ge spart wird. Außerdem ist die verringerte Wassermenge insofern vorteilhaft, als sie den späteren Fermentationsprozeß nicht belastet.

Für den Fall eines Vorgehens nach Anspruch 4 können auch die in den Küchen oder Teeküchen anfallenden Biomassen mit speziellen Adaptern in den Spülen, z. B. mit Häcksler und Absaugventil an die Vakuumentsorgung angeschlossen wer den. Durch die Zugabemöglichkeiten an einzelnen Stellen des Verfahrensweges können die in den Gärten anfallenden Biomassen, wie Grasschnitt, Pflanzenreste usw. der Vakuumanlage zugeführt werden.

Nach der Sammlung der Biomassen in einem zentralen Behälter der Vakuumanlage ist es zweckmäßig, wenn man die Maßnahme nach Anspruch 5 zur Anwendung bringt. Die Hygienisierung unter einer Temperatur von 70°C über eine halbe Stunde ge währleistet ein sicheres Abtöten möglicher Keime. Die bei der Hygienisierung der Biomassen gegebenenfalls vorhandene Überschußwärme kann mit einer Wärme pumpe zurückgewonnen werden, insbesondere dann, wenn der spätere Fermentations prozeß in einem Temperaturbereich zwischen 20 und 42°C gefahren wird.

Nach der Lehre des Anspruchs 6 ist es möglich, bereits hygienisierte oder nicht zu hygienisierende Biomassen aus anderen Bereichen, z. B. aus Siedlungsgärten, aus "Grünen Tonnen" der Kommunen, aus Siedlungen, aus Gewerbegebieten, von Lebensmittelherstellern usw. dem laufenden Verfahren beizumengen.

Wenn an einer Stelle des Verfahrensweges Wärmeüberschuß vorhanden ist, wird es für zweckmäßig angesehen, wenn man sich die Lehre des Anspruches 7 zunutze macht.

Ausgehen von der Überlegung, daß der Fermantationsprozeß nur dann problemlos ablaufen kann, wenn die zusammengefaßten und entsprechend hygienisierten, so wie entsprechend gemischten Biomassen fermentationsgerecht weitergeleitet wer den, dann ist ein Vorgehen nach Anspruch 8 zwingend erforderlich. Die dort er wähnten bestimmten Transportbedingungen müssen, wie schon angedeutet, einge halten werden, was insbesondere für die fermentationsgerechten Temperaturen von Wichtigkeit ist. Ein Transport von für fermentierfähig gehaltenen Bio massen ist naturgemäß nur dann erforderlich, wenn die Biogasanlage, aus wel chen Gründen auch immer, nicht im Gebiet der Vakuumtechnik liegt.

Im Anspruch 9 ist eine bestimmte Biogasanlage angegeben, in der bzw. in deren Fermenter die eingebrachte Biomasse unter Entwicklung des sogenannten Biogases vergärt wird, das z. B. einen Gas- oder Zündstrahlmotor antreibt, der seinerseits mit einem Generator in Triebverbindung steht. Der im Generator erzeugte Strom dient zur Versorgung derjenigen Gebiete,in denen die Biomassen angefallen sind.

Überschüssige Leistung wird an Dritte abgegeben oder in öffentliche Netze eingespeist. Die bei der Energieumwandlung anfallende Wärme wird z. B. zu Heiz- oder Trocknungszwecken oder zur Kälteerzeugung genutzt. Im Sommer anfallende überschüssige Wärme läßt sich beispielsweise in einem Erdwärmespeicher oder in einem chemischen Speicher zwischenpuffern und in den kalten Monaten wieder abrufen. Zur Deckung von Spitzenlasten ist es denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren mit Energie aus regenerativen oder fossilen Brennstoffen zu unter stützen.

Für die Durchführung des Verfahrens ist eine den Ansprüchen und den Verfahrens ablauf sichernde Anlage zwingend erforderlich, wie sich eine solche aus An spruch 10 ergibt. Dabei ist die Kombination das Entscheidende, denn nur durch sie ist es möglich, die gestellte Aufgabe zufriedenstellend zu lösen. Dies ist dadurch gesichert, daß die Vakuumtechnik durch Verwendung in verschiedenen Be reichen ausgereift ist und auch eine Biogasanlage gemäß dem Patent 41 05 841.0-09 sich in der Praxis mit großem Erfolg bewährt hat.

Dem Anspruch 11 ist eine Sonderheit einer Biogasanlage zu entnehmen, die sicher stellt, daß das Verfahren zügig abzulaufen vermag und kontrollierbar bleibt.

Um dem erzeugten Biogas eine denkbare Aggressivität zu nehmen und damit die Langlebigkeit nachgeschalteter Verbrauchereinrichtungen nicht zu gefährden, wird auf die Maßnahme nach Anspruch 12 hingewiesen.

Im Anspruch 13 ist ein Behälter für die Restsubstanz des Fermentierungsprozes ses angegeben, in dem z. B. vergorene Gülle (Biomasse) gesammelt wird, die sich z. B. in der Land- und Forstwirtschaft als hochwertiger Kopfdünger einsetzen läßt.

Schließlich ist die in Anspruch 14 festgehaltene Maßnahme ein Garant dafür, die die Anlage weder optisch noch verkehrstechnisch stört.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf ein Ausführungsbeispiel verwiesen.

Zur Entsorgung von Fäkalien und Urin werden z. B. in zwei Häusern spezielle Vakuumleitungen zu den WC's und Urinalen verlegt, die von den herkömmlichen Abwasserleitungen für Wannen, Duschen oder Waschbecken getrennt sind. WC's und Urinale sind mit speziellen Ventilen versehen, die den im System vorhandenen Unterdruck aufrecht erhalten. Auf Anforderung durch den Nutzer werden die In halte der WC's oder Urinale unter einer Zugabe einer geringen Menge an Wasser und Luft in einen Zwischenbehälter abgesaugt. Ist der Zwischenbehälter ge füllt, erfolgt eine automatische Leerung in den Auffangbehälter der Vakuuman lage. Eine spezielle Anordnung und Führung der Vakuumleitungen verhindert, daß Reste zurückbleiben. Aufgrund des Unterdruckes ist das System völlig ge ruchlos. Die Bedienbarkeit ist identisch mit der einer normalen WC-Nutzung.

In den Spülen von Küchen, Teeküchen, Haushalten od. dgl. können ebenfalls Ver bindungen zur Vakuumanlage hergestellt werden, um so organische Küchenabfälle in den Prozeß zu integrieren. Hierzu dienen spezielle Häcksler/Shredder in den Spülen, die vor dem Absaugen die Biomasse zerkleinern. Die Weiterleitung erfolgt wie bereits beschrieben.

Der Auffangbehälter der Vakuumanlage wird zusammen mit der Vakuumpumpe ge ruchsfrei in einem Technikraum, z. B. innerhalb der Technikzentrale einer Sied lung, eines Gewerbegebietes od. dgl. untergebracht.

Von dort wird, z. B. mit Hilfe einer Pumpe, das gesammelte Material in den Hy gienisierungsbehälter verbracht und dort etwa eine halbe Staude lang auf einer Temperatur von etwa 70°C gehalten. An dieser Stelle können auch von ex tern stammende Biomassen, die ebenfalls noch hygienisiert werden müssen oder bereits hygienisiert sind, zugeführt werden.

Aus der Hygienisierung gelangen die organischen Abfälle in den Verbehälter bzw. in die Vorgrube der Biogasanlage. Auch hier ist eine Zugabe weiterer, nicht zu hygienisierender oder bereits hygienisierter Biomassen möglich. Die Vorgrube enthält in der Regel eine Misch- oder Rühreinrichtung, um eine homo gene Materialstruktur zu erreichen.

Aus der Vorgrube, die zur Geruchsvermeidung einen Kohle- oder anderen Filter aufweist, gelangt die Biomasse in den Fermenter, der zweckmäßig unterirdisch und damit ohne Flächenverbrauch anzuordnen ist. Die dort entstehenden Gase werden je nach Größe des Fermenters unter einer über dem Fermenter gasdicht angebrachten Folie oder in einem separaten Gasspeicher gesammelt. Über eine Gasreinigung mit Trocknung und Entschwefelung gelangt das Biogas zu einem Zündstrahl- oder Gasmotor, wo es mit Hilfe eines Generators verstromt wird.

Die anfallende Restwärme wird zu Heizungszwecken, zur Trocknung oder zur Warm wassererzeugung genutzt. Gleichfalls kann die anfallende Wärme zur Hygienisie rung oder zur Erwärmung des Fermenters genutzt werden. Es versteht sich, daß das Biogas auch anders genutzt werden könnte, so z. B. in der Brennstoffzellen- Technik.

Die vergorene Restsubstanz aus dem Fermenter wird in ein sog. Endlager ge pumpt und dort gespeichert, bis sie z. B. zur Verwendung in der Land- oder Forstwirtschaft als Kopfdünger eingesetzt wird.

Auf diese Weise wird nicht nur eine CO₂-neutrale Energieversorgung im Bereich von Siedlungen, Gewerbegebieten usw. erreicht, sondern es wird auch z. B. der natürliche (Nährstoff-)Kreislauf zwischen Landwirtschaft und Siedlungen ge schlossen.

Optische Darstellungen der beschriebenen Anlage ergeben sich aus den Fig. 1 und 2 der Zeichnung, welche als Beispiel innerhalb des Erfindungsgedankens zu werten sind.

Bezugszeichenliste

1

Vakuum-WC's und Urinale

2

Küchenspülen mit Anschluß

3

eine Vakuumzentrale mit Pumpe

4

einen Einwurf für Grünschnitt od. dgl.

5

einen Hygienisierungsbehälter

6

eine Vorgrube mit Mischer

7

einen Fermenter (nur in

Fig.

2

)

8

eine Technikzentrale

9

eine Gastrocknung mit einer Entschwefelung

10

einen Zündstrahlmotor

11

einen Wärmepuffer

12

ein Endlager

13

eine befahrbare Abdeckplatte

14

Garagen und mit

15

eine Garagenzufahrt

Der Zeichnung ist zu entnehmen, daß durch die getroffene Anordnung eine An lage, z. B. für zwei Wohnhäuser auf engem Raum und nicht störend vorgesehen werden kann, wobei die unterirdische Anordnung besonders günstig erscheint. Die Unterbringung auf engem Raum ergeben auch kurze Transportwege, die sich vorteilhaft auf die Preisgestaltung des Verfahrens und auch für die Anlage selbst auswirken.

Das gewählte, auf die Anordnung der Anlage auf engem Raum bezogene Ausführungs beispiel stellt keine Einschränkung für auseinandergezogene Anlagen dar, da in solchen Fällen Maßnahmen vorgesehen sind, welche die Überbrückung von zwangs läufig erforderlich werdenden Transportstrecken tragbar machen.

Die einmalig anfallenden Kosten für Anlagen jeglicher Art sind durchaus trag bar, wenn man die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dazugehörigen Anlage erzielten Vorteile entsprechend würdigt und die Kosten mit den sonst anfallenden Kosten für Kanalisation, Wasserversorgung und sonstige Ver- und Entsorgung vergleicht. Schon allein dieser Vergleich läßt den Wert der vor liegenden Erfindung erkennen, und dies erst recht, wenn man bedenkt, daß nun mehr der Bedarf an Ablagerungsflächen, Halden, Kompostierungen od. dgl. wesent lich absinkt und Betriebskosten sich verringern.

Claims

1. Verfahren zur Nutzung von Biomassen, wie solche in der Land- und Forst wirtschaft, in Siedlungs-, Gewerbe- und Industriegebieten, in Heimen, in Haushaltungen, in Lebensmittelbetrieben od. dgl. anfallen, dadurch ge kennzeichnet, daß die Biomassen, ganz gleich welcher Art und Herkunft zu nächst mittel- oder unmittelbar mindestens einer Sammelstelle zugeführt und dort, wenn notwendig, einer Hygienisierung unterworfen werden, worauf eine mittelbare Zufuhr der Biomassen oder wegen zu überwindender Wegstrec ken ein unmittelbarer Weitertransport unter Einhaltung bestimmter Tempe raturen und Mengen zu einer Biogasanlage erfolgt, in der die Biomassen einer Fermentation unterzogen werden und die dabei frei gesetzte bzw. ge wonnene Biogasenergie in Form von Strom und/oder Wärme an beliebigen Orten genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zufuhr der Biomassen zu einer Sammelstelle die bekannte Vakuumtechnik zum Einsatz kommt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz der Vakuumtechnik die anfallenden Biomassen vom Grauwasser ge trennt und unter Zusatz von geringen Mengen an Wasser vom Entstehungsort zur Sammelstelle gebracht werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Transportweg der Biomassen an einzelnen Stellen Zugabemöglichkeiten für anders geartete Biomassen vorgesehen werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hygienisierung in einem Temperaturbereich von etwa 70°C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Hygienisierung der Biomassen aus einem beherrschbaren Raum diesen Massen weitere, bereits hygienisierte oder nicht zu hygienisierende Bio massen aus anderen Bereichen zugeführt werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an Stellen mit Wärmeüberschuß eine Wärmerückgewinnung vorgesehen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechend vorbehandelten Biomassen un ter bestimmten Transportbedingungen einer bekannten Biogasanlage zuge führt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Biogasanlage die Biomassen in drei Temperaturstufen fermentiert werden.

10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, ge kennzeichnet durch die Kombination einer Vakuumanlage (vgl. 1, 2 und 3) mit einer Anlage (vgl. 7) zur Gewinnung von Biogas aus Biomassen.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Biomas sen aufsaugenden Vakuumanlage(vgl. 1, 2 und 3) und der Biogasanlage (vgl. 7) besondere, für die Hygienisierung, für die Unterbrechung des Verfah rens, zur Ergänzung der Biomassen, für den Transport, für den Gärprozeß und für die Überwachung des Ablaufes des Verfahrens erforderliche Einrich tungen (vgl. 8) vorgesehen sind.

12. Anlage nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bio gasanlage (vgl. 7) bzw. dem Fermenter (7) eine Biogas-Reinigungsanlage (9) nach und den Verbrauchern vorgeschaltet ist.

13. Anlage nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bio gasanlage (7) mit einem die Restsubstanz des Fermentationsprozesses auf nehmenden Behälter (12) ausgestattet ist.

14. Anlage nach den Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Vakuum- und der Biogasanlage unterirdisch (vgl. 14) angeordnet sind.