DE19744653A1 - Anlage zur Erzeugung von Biogas und ein Verfahren zum Betreiben der Anlage - Google Patents

Anlage zur Erzeugung von Biogas und ein Verfahren zum Betreiben der Anlage

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Er­ zeugung von Biogas und ein Verfahren zum Betreiben der An­ lage.
Herkömmliche Biogasanlagen werden individuell auf die Bedürfnisse des Nutzers vor Ort angepaßt und dann zusam­ mengestellt und vor Ort aufgebaut. Eine derartig aufgebaute Biogasanlage war somit fest beim Nutzer installiert. Auf­ grund dieser festen Installation wägten viele Nutzer ver­ ständlicherweise ab, ob die Anschaffung einer derartigen herkömmlichen Biogasanlage wirtschaftlich sei. Hinzu kommt, daß nach Ablauf der Nutzungsdauer die veraltete Biogasan­ lage umständlich und individuell entsorgt werden mußte, um nicht weiterhin den dafür reservierten Stellplatz zu bele­ gen. Ebenso war es für den Nutzer der herkömmlichen Bio­ gasanlagen notwendig sowohl während der Bauzeit als auch während der Einlaufphase sowohl Kapital als auch Stellplatz zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der Individualität der einzelnen Biogasanlagen ist eine Ersatzteilbeschaffung so­ wohl in zeitlicher als auch in finanzieller Hinsicht er­ schwert. Darüber hinaus erfordert die individuelle Instal­ lation herkömmlicher Biogasanlagen aufwendige Baugenehmi­ gungsverfahren, die sowohl zeitraubend als auch kostenin­ tensiv sind.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage zur Erzeugung von Biogas sowie ein Verfahren zum Betreiben der Anlage so zu verbessern, daß die Produk­ tionskosten und die Installationszeiten gering sind, damit die Anschaffung einer Biogasanlage wirtschaftlich ist.
Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Er­ findung eine Anlage zur Erzeugung von Biogas zu schaffen, deren Wirkungsgrad erhöht wird.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 12 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Anlage zur Erzeugung von Bio­ gas in einer Modulbauweise aus vorgefertigten Bauteilen er­ stellt, um somit mobileingesetzt zu werden. Aufgrund die­ ser Mobilität kann beispielsweise die Fertigung und der Probelauf der gesamten Anlage bereits im Werk erfolgen, so daß der Nutzer eine bereits betriebsfertige Anlage erhält. Die Modulbauweise ermöglicht eine einfache Serienprodukti­ on, so daß ein günstiges und betriebsfertiges Produkt ange­ liefert werden kann. Die Betriebsbereitstellung wird da­ durch erreicht, daß nach Anlieferung der Anlage der kom­ plette Faulraum lediglich mit Impfstoff gefüllt werden muß. Herkömmliche Biogasanlagen mußten bislang über Wochen ein­ gefahren werden.
Auch die bislang vorzunehmende Vorortmontage beim Kun­ den wird aufgrund der Mobilität bzw. der Modulbauweise beim Nutzer nicht mehr notwendig, so daß der Nutzer keine Zeit durch Bautätigkeiten verliert. Darüberhinaus kann die er­ findungsgemäße Anlage geleast werden, wodurch der Nutzer den Vorteil der geringen Kapitalbindung erhält.
Durch die Mobilität der Anlage ist ein Rückkauf oder Verkauf wieder möglich. Darüber hinaus kann der Kunde bei Unzufriedenheit oder Betriebsaufgabe die erfindungsgemäße Anlage als solche veräußern. Die Modulbauweise ermöglicht, daß die Instandsetzung insbesondere bei größeren Schäden im Werk erfolgen kann, wobei dem Nutzer aufgrund der Mobilität der Gesamtanlage lediglich eine Ersatzanlage zur Verfügung gestellt werden muß, um den Gesamtbetriebsablauf aufrecht­ erhalten zu können. Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird somit eine höchstmögliche Kundenzufriedenheit erzielt. Je nach Anforderung und Bedarf wird aufgrund der Mobilität der erfindungsgemäßen Anlage auch der Vorteil erzielt, daß die vorhandene Heizanlage des Nutzers ergänzt werden kann.
Aufgrund des Betreibens der erfindungsgemäßen Anlage, d. h. der Umwandlung des Substrats in regenerativen Strom und Wärme mittels Methanisierung, wird der Nutzer durch die Eigenstromerzeugung vom Strompreis unabhängig. Auch ver­ schafft sich der Nutzer generell einen gewissen Grad an Energieunabhängigkeit, und kann bei Stromausfall des öf­ fentlichen Netzes seinen Betrieb aufrechterhalten, bei­ spielsweise in Form einer Notstromfähigkeit.
Um die erfindungsgemäße Anlage baurechtlich installie­ ren zu dürfen, fallen lediglich die Kosten einer Baugeneh­ migung an. Die Baugenehmigung vereinfacht sich durch das Vorlegen von Standardplänen. Eventuelle Planungskosten für individuell installierten Anlagen entstehen nicht.
Aufgrund der Mobilität ermöglicht die erfindungsgemäße Anlage auch im landwirtschaftlichen Mittel- oder Kleinbe­ trieb den effektiven und kostengünstigen Einsatz der Bioga­ stechnologie. So kann zum Beispiel in einem landwirtschaft­ lichen Betrieb mit 60 Großvieheinheiten (entspricht etwa 35 Kühen mit Nachzucht) Biogas kostendeckend erzeugt werden. Aufgrund der Modulbauweise ist die Gesamtanlage auch belie­ big erweiterbar, beispielsweise in Form einer Serienschal­ tung der Kompaktmodule. Die Mobilität bzw. die Modulbau­ weise wird durch Integration in einem Gehäuse erreicht, welches einen Tank zur Aufnahme des zur Erzeugung von Bio­ gas nötigen Substrats, ein Biogassammelsystem, zumindest einen Wärmetauscher, eine Einrichtung zum Einbringen des Substrats in den Tank und ein Energieentnahmevorrichtung aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 12 zum Betreiben der Biogasanlage enthält in vorteilhafter Weise folgende Schritte, nämlich Einfüllen eines zur Erzeugung eines Biogases zu verwendenden Substrates in einen Tank mit einem Tankvolumen zwischen 20 m3 bis 120 m3, vorzugsweise 40 m3 bzw. 60 m3 und Lagerung des Substrates in dem Tank mit einer Verweildauer von 7 bis 14 Tagen, vorzugsweise 10 Tagen. Mit dieser Spezifikation wird ein extrem hoher Durchsatz erreicht, der insbesondere die Wirtschaftlichkeit der Anlage unterstreicht. Aufgrund der besonderen Ausge­ staltung der Methanisierungsstufe und insbesondere wegen der hohen Faulraumbelastung wird eine hohe Gasleistung pro Kubikmeter Faulraum herbeigeführt. Aufgrund der erfindungs­ gemäßen Verweildauer in der Methanisierungsstufe wird somit weniger Prozeßenergie verbraucht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wird beispielsweise gemäß Anspruch 2 der Tank U-förmig ausgestaltet und der Tank mit einer Gasfolie abgedeckt, so bestehen die Vorteile der U-Form des Tanks darin, daß zur Wartung des Tanks die gesamte Folie entfernt werden kann und beispielsweise das Rührwerk von oben zugänglich ist. So kann das Rührwerk in einem Stück in den Tank eingesetzt werden, wohingegen es bislang im Werk zusammengesetzt und/oder geschweißt werden mußte. Ferner muß bei Wartungs­ arbeiten am Rührwerk der Reaktor nicht zwingend entleert und belüftet werden, wodurch das Rührwerk ohne Entleerung entnommen werden kann. Mit der als Biogassammelsystem aus­ gestalteten Gasfolie wird der Vorteil erzielt, daß gleich­ zeitig sowohl eine geruchsdichte und gasdichte Abdeckung vorliegt als auch ein Gasspeicher bereitgestellt wird. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn zur Entschwefelung Bewuchs­ flächen im Gasraum, d. h. zwischen Gasfolie und Substrat, angebracht werden.
Wird hingegen gemäß Anspruch 3 das Biogassammelsystem als ein mit dem Tank verbundener Gasdom zur Gasentnahme ausgebildet, so besteht die Möglichkeit, das gesamte Tank­ volumen mit dem Substrat zu füllen und das Gaspräparat im Gasdom zu sammeln. Ferner wird dadurch gewährleistet, daß eine Lokalisierung des Biogases in der Gesamtanlage vorge­ nommen wird, welches dann entschwefelt werden kann.
Zusätzlich kann beispielsweise in der Überdachung der Biogasanlage gemäß Anspruch 4 ein weiterer Gasspeicher vor­ gesehen sein, um die verbrauchsorientierte Verwertung des Biogases sicherzustellen.
Wird gemäß Anspruch 6 ein Substrat-Substrat-Wärme­ tauscher und ein Wasser-Substrat-Wärmetauscher außerhalb des Tanks angeordnet sowie ein Wasser-Substrat-Wärme­ tauscher innerhalb des Tanks, so besteht die Möglichkeit, daß die Arbeitstemperatur auf einfache Weise und wirt­ schaftlich einstellbar ist, da sonst Prozeßenergie durch dieses neu entwickelte Wärmerückgewinnungssystem, welches darüber hinaus eine Intervallsteuerung enthält, eingespart wird. Generell wird davon ausgegangen, daß bei der Umwand­ lung des erzeugten Biogases Strom und Wärme als Energieträ­ ger bereitgestellt werden. Der eigens erzeugte Strom wird zum einen vom Nutzer zum Versorgen des Betriebes genutzt. Zum anderen wird der Stromüberschuß zu Bedingungen des Stromeinspeisegesetzes in das öffentliche Netz abgegeben. Die ebenfalls erzeugte Wärme wird somit für die Erhitzung des Substrates und für die Beheizung des Wohnhauses und der Betriebsgebäude oder anderweitig genutzt. Die überschüssige Wärme wird über einen Wasser-Luft-Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben. Durch die spezielle Anordnung der Wär­ metauscher wird auf wirtschaftliche Weise die von der Anla­ ge produzierte Energie umgesetzt.
Um die aus der Anlage gewonnene Energie sofort umzuset­ zen, wird gemäß Anspruch 7 darüber hinaus ein Blockheiz­ kraftwerk zur Strom- und Wärmegewinnung als Energieentnah­ mevorrichtung vorgesehen. Durch die Integration dieser Energieentnahmevorrichtung in der Anlage wird gewährlei­ stet, daß kein Übertragungsverlust der Energie aufgrund langer Wege entsteht.
Wird gemäß Anspruch 8 als Substrat Gülle und/oder ver­ flüssigter Festmist oder andere organische Bioabfälle, die zur Methanisierung geeignet sind, verwendet, so ist der Einsatzbereich der Biogasanlage insbesondere auf Bauernhö­ fen oder aber mit der Tieraufzucht oder Tierhaltung befaß­ ten Gehöften bestens einsetzbar.
Wird gemäß Anspruch 10 das Tankvolumen zwischen 20 bis 120 m3 gewählt oder vorzugsweise 40 m3 bzw. 60 m3 ausge­ wählt, so ist die Gesamtdimensionierung der Anlage opti­ miert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Unter Berücksichtigung der Zeichnung wird eine vorteil­ hafte Ausgestaltungsform des vorliegenden Gegenstandes dar­ gestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des Anmeldegegenstandes;
Fig. 2 eine Draufsicht des Anmeldungsgegenstandes;
Fig. 3 eine Vorderansicht des Anmeldegegenstandes; und
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des in dem Anmelde­ gegenstand verwendeten Tanks.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, weist die erfindungsgemäße Biogasanlage 1 einen Tank 3 als Methanisierungsstufe, der eine Rührwelle mit schraubenförmig angeordneten Rührarmen enthält, sowie ein Wasser-Substrat-Wärmetauscher 7 auf, der beispielsweise auch in der Rührwelle integriert sein kann. Weist das Substrat Sinkstoffe auf, kann die Rührwelle dazu genutzt werden, die Sinkstoffe einer Austragsvorrichtung zuzuführen. Der Wärmetauscher 7 dient dazu, das Substrat, beispielsweise die Gülle, auf der bestmöglichen Arbeitstem­ peratur zu halten oder gegebenenfalls auch vorzuwärmen. Das Wasser wird hierbei beispielsweise von der Abwärme des Blockheizkraftwerkes 9 erwärmt. Bevor das Substrat in Form von Gülle oder flüssigem Festmist in die als Tank 3 ausge­ bildete Methanisierungsstufe eingefüllt wird, wird das Substrat von einem Pumpsystem 11 vorzugsweise mit Exzenter­ schneckenpumpe, über einen Substrat-Substrat-Wärmetauscher 13 von dem aus dem Tank 3 austretenden Substrat gegebenen­ falls weiter erwärmt und schließlich über einen Wasser- Substrat-Tauscher 15 weiter auf die erforderliche Arbeits­ temperatur erwärmt. Nach erfolgter Erwärmung wird das Substrat in den Tank eingelassen. Oberhalb des Tanks 3 ist ein Gasdom 17 mit Einfüllungs- und Gasentnahmevorrichtung vorgesehen. Um einen Druckausgleich des Heizungssystems zu gewährleisten, ist ferner ein Ausdehnungsgefäß 19 vorgese­ hen. Die gesamte Biogasanlage 1 wird von einem Gehäuse 21 umschlossen, und ist somit auf einfache Weise mobil und transportfähig. Oberhalb des Gehäuses 21 ist ein Dach vor­ gesehen, indem ein Gasspeicher 23 eingebaut werden kann (s. Fig 3) oder das die Gasfolie vor Umwelteinflüssen schützt.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Bio­ gasanlage 1 zu sehen, insbesondere der Methanisierungsstu­ fe. Unterschiedlich zu der vorausgehenden Ausführungsform ist, daß der Tank 103 eine spezielle geometrische Gestal­ tung aufweist, um optimal den zur Verfügung stehenden Raum auszunutzen. Eine der vielfältigen geometrischen Ausgestal­ tungen ist beispielsweise die Ausgestaltung des Tanks als ein nach oben geöffnetes U, wobei die Form des U's ledig­ lich im Rundungsbereich abgerundet sein kann oder mit Ecken versehen sein kann. Im letzteren Fall erhöht sich das Reak­ torvolumen. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Oberseite des U's durch eine Gasfolie 125 abgedichtet. Mit dieser Aus­ gestaltung entfällt somit der Gasdom gemäß den Fig. 1 bis 3. Unterhalb der Gasfolie 125 wird an eventuell vorge­ sehenen Zwischenverstrebungen 127 Bewuchsflächen 129 vorge­ sehen, die eine Entschwefelung des oberhalb des Substrats vorhandenen Biogases ermöglichen. Der Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Gasfolie 125 dient somit als Gasspei­ cher.
Bei der oben ausgeführten erfindungsgemäßen Biogasan­ lage wird das in der Tierhaltung anfallende Substrat über eine Verdrängerpumpe durch ein Substrat-Substrat -Wärme­ tauscher 13 und anschließend durch einen Substrat-Wasser- Wärmetauscher 15 gefördert. Das Substrat wird dann auf die Temperatur des Methanisierungsreaktors erhitzt, vorzugs­ weise auf 38° (mesophil) unter Umständen aber auch auf 55° Celsius (thermophil), was dann eine Verkürzung der Verweildauer mit sich bringt, und der Methanisierung zuge­ führt.
Nach einer durchschnittlichen Verweildauer von bei­ spielsweise 10 Tagen gelangt das Substrat über den Substrat-Substrat-Wärmetauscher in das vom Betrieb vorgese­ hene Substratlager (nicht gezeigt). Mit der genannten Anla­ ge kann somit aus 1 m3 zugeführtem Substrat, beispielsweise Gülle, ungefähr 30 m3 Biogas mit einem Methangehalt von 60% erzeugt werden.
Die den Wirkungsgrad optimierte Methanisierungsstufen haben ein Volumen von 40 m3 bzw. 60 m3 und werden mittels eines vorzugsweise liegenden Haspelrührwerks durchmischt. Die maximal täglich zuführbare Substratmenge liegt somit bei 4 m3 bzw. 6 m3 (zuführbare Substratmenge = Tankvolu­ men/Verweildauer), wobei die maximal erzeugbare Biogasmenge somit bei 120 m3 liegt. Das Biogas wird gemäß einer Ausfüh­ rungsform im Gasdom der Methanisierungsstufe mittels Sauer­ stoffzufuhr entschwefelt und über einen Gasfolienspeicher mit 30 m3 mit Dachstuhl gepuffert. Das Blockheizkraftwerk erzeugt aus 1 m3 Biogas mit 6 kW Energieinhalt, 2 kWh Strom (d. h. Wirkungsgrad gleich 33%) und 3 kWh thermische Leistung (d. h. Wirkungsgrad gleich 50%), so daß der Gesamtwirkungsgrad gleich 83% ist. Ein Blockheizkraftwerk mit 20 kW elektrischer Leistung kann somit 12 Stunden unter Vollast betrieben werden.
Ferner ist es generell denkbar, ein Substratentwässe­ rungssystem der Pumpe nachzuschalten, das dem zugeführten Substrat Flüssigkeit entzieht, um die organische Belastung je m3 Reaktorvolumen zu erhöhen, wodurch sich auch die Gas­ ausbeute je m3 Reaktorvolumen erhöht. Das Substrat wird in einem perforierten Rohr entwässert. Der hierfür notwendige Gegendruck wird durch eine einstellbare Rückhaltevorrich­ tung, vorzugsweise eine federbelasteten Klappe aufgebaut. Die abgeschiedene Flüssigkeit wird am Prozeß vorbeigeleitet und muß somit nicht als Balast durch den Prozeß geschleust werden. Daraus ergibt sich bei gleichem Energieaufwand eine höhere Nutzenergieausbeute. Die Flüssigkeit läuft durch ein perforiertes Rohrstück ab, wobei das eingedickte Substrat in den nachfolgenden Substrat-Substrat-Wärmetauscher ge­ pumpt wird.
Generell ist die gesamte Biogasanlage zur Vermeidung von Wärmeverlust mit einer geeigneten Isolierung versehen.

Claims (19)

1. Anlage zur Erzeugung von Biogas und zur Umwandlung des Biogases in einen Energieträger gekennzeichnet durch
eine Modulbauweise aus vorgefertigten Bauteilen, um mo­ bil eingesetzt zu werden,
wobei die Bauteile in einem Gehäuse (21) integriert sind und einen Tank (3; 103) zur Aufnahme des zur Er­ zeugung von Biogas verwendeten Substrats; ein Biogas­ sammelsystem; zumindest einen Wärmetauscher (7; 13; 15); eine Einrichtung zum Einbringen des Subtrats in den Tank (3; 103) und eine Energieentnahmevorrichtung auf­ weisen.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (3; 103) U-förmig gestaltet ist und das Biogassam­ melsystem aus einer den Tank (3; 103) abdeckenden Gas­ folie besteht, wobei vorzugsweise zur Entschwefelung Bewuchsflächen vorgesehen sind.
3. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biogassammelsystem ein mit dem Tank verbundener Gasdom (17) zur Gasentnahme ist.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Gasspeicher (23) vorgesehen ist.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet ferner durch eine in dem Tank angeordneten Rührwelle (5).
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Substrat-Substrat-Wärmetauscher (13') und ein Wasser-Substrat-Wärmetauscher außerhalb des Tanks sowie ein Wasser-Subtrat-Wärmetauscher (7) innerhalb des Tanks vorgesehen ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Energieträger Wärme und/oder Strom ist, wobei die Energieentnahmevorrichtung einen Heizungsverteiler und ein Blockheizkraftwerk zur Strom­ gewinnung umfaßt.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat Gülle und/oder verflüs­ sigter Festmist oder andere organische Bioabfälle, die zur Methanisierung geeignet sind, ist.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einbringen des Substrats ein Pumpsystem (11), vorzugsweise mit Exzen­ terschnecke, ist, dem vorzugsweise ein Substratentwäs­ serungssystem nachgeschaltet ist.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Tankvolumen zwischen 20m3 bis 120m3, vorzugsweise 40m3 bzw. vorzugsweise 60m3 ist.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gasdom (17) zur Gasentnahme ein Entschwefelungssystem aufweist.
12. Verfahren zum Betreiben einer mobilen Biogasanlage, welche die Schritte aufweist:
  • a) Einfüllen eines zur Erzeugung eines Biogases zu ver­ wendendes Substrats in einen Tank mit einem Tankvo­ lumen zwischen 20m3 bis 120m3, vorzugsweise 40m3 bzw. vorzugsweise 60m3;
  • b) Methanisierung des Substrats in dem Tank mit einer durchschnittlichen Verweildauer von 7 bis 14 Tagen, vorzugsweise 10 Tagen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat über einen Substrat-Substrat-Wärmetauscher (13) und einen Substrat-Wasser-Wärmetauscher (15) dem Tank (3; 103) zugeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat nach der im Tank (3; 103) stattfindenden Methanisierungsstufe über den Substrat-Substrat-Wärme­ tauscher ausgelagert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der Anlage gleichmäßig über den Tag verteilt der Quotient aus Tankvolumen und Verweildauer an Substrat zugeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Biogas über ein am Tank (3; 103) befindlichen Gasdom (17) entschwefelt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Biogas von einer einen u-förmi­ gen Tank abdeckenden Gasfolie (125) gesammelt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Gülle, verflüssigter Festmist oder andere organische Bioabfälle, die zur Me­ thanisierung geeignet sind, verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Umwandlung des Biogases entstehende Energie in Form von Wärme und Strom vor­ liegt.
DE19744653A 1997-10-09 1997-10-09 Anlage zur Erzeugung von Biogas und ein Verfahren zum Betreiben der Anlage Withdrawn DE19744653A1 (de)

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