DE19840691C2 - Verwendung eines CO2-haltigen Abgases als Kohlenstoffquelle für Pflanzen - Google Patents
Verwendung eines CO2-haltigen Abgases als Kohlenstoffquelle für PflanzenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verwendung von kohlendioxidhaltigem Nebenprodukt bzw.
Abfall-Gas, gewöhnlich gemischt mit Methan, als Kohlenstoffquelle.
Biogase als erneuerbare Energiequellen werden aus organischen Reststoffen aus
Landwirtschaft, Kommune, Industrie und Gewerbe und Ganzpflanzen oder Teilen derselben
durch gesteuerte anaerobe Fermentation in kommunalen und privaten städtischen
Biogasanlagen und Kläranlagen und landwirtschaftlichen Biogasanlagen produziert. Die
Steuerung betrifft vorzugsweise Aufenthaltszeit, Rührung, Temperierung und
Konzentrationen im Reaktor. Die dabei entstehenden Biogase unterscheiden sich in der
Zusammensetzung, d. h. im Methangehalt (zumeist 50-70 Vol.-%), Kohlendioxid (CO2)-
Gehalt (zumeist 47-27 Vol.-%), Gehalt an Feuchtigkeit (zumeist 1-3 Vol.-%) und
Schwefelwasserstoff (zumeist 0,001 bis 0,5 Vol.-%).
Deponien sind kompaktierte Schüttungen einer großen undefinierten Mischung von
organischen Stoffen, die ungesteuert Deponiegas produzieren. Die dabei entstehenden
Deponiegase unterscheiden sich in der Zusammensetzung, d. h. im Methangehalt,
Kohlendioxidgehalt, Gehalt an Feuchtigkeit, Schwefelwasserstoff und anderen gasförmigen
Spurenbestandteilen. In Deponiegasen finden sich auch FCKWs und KWs, die in Biogasen
nicht enthalten sind. Die Gewinnung von Deponiegasen erfolgt, indem Deponien
vorzugsweise mit Folien und Erdschichten sowohl bodenseitig abgedichtet als auch luftseitig
zur Reduzierung des Luftzutrittes abgedeckt werden. Rohrleitungen sind im Deponiekörper
verlegt und Gasbrunnen im Deponiekörper eingelassen worden, um das Deponiegas
abzusaugen. Deponiegase können wegen des möglichen Luftzutritts Sauerstoff und
Stickstoff enthalten.
In der DE 44 19 766 A1 ist ein Verfahren zur biologischen Reinigung und
Methananreicherung von Biogasen durch Ausnutzung der photoautotrophen Eigenschaften
alkalitoleranter Bakterien und Algen, welche im Biogas enthaltenes Kohlendioxid abbauen,
beschrieben.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen und Deponien
zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines CO2-haltigen Abgases als Kohlenstoffquelle
für Pflanzen gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bereitgestellt.
Die sich durch die erfindungsgemäße Verwendung erschließenden neuen
Verwertungsmöglichkeiten des CO2 enthaltenden Abgases (Nebenprodukt) vorzugsweise am
Ort der Produktion/Entstehung bzw. der Aufbereitung führen zu einer verbesserten
Wirtschaftlichkeit der Biogasanlagen und Deponien und zu einer besseren
Gesamtenergieausnutzung der erneuerbaren Energiequelle. Ein als Hauptprodukt
anfallendes, angereichertes, vorzugsweise erdgasgleiches Methan wird bevorzugt an einem
Standort der Verwendung zugeführt, der von dem Ort der Produktion/Entstehung bzw.
Aufbereitung entfernt ist.
Bisher war es nur möglich, Biogase und Deponiegase am Ort der Produktion/Entstehung zu
verwerten, beispielsweise als Energiequelle für Blockheizkraftwerke, beispielsweise zur
Verstromung, was dazu führte, daß die Gesamtenergieausbeute gering war, weil keine
optimale Wärme-Kraft-Kopplung oder Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung realisiert werden
konnte oder weil die entstehenden Mengen zu gering sind, um sie wirtschaftlich
weiterverarbeiten und veredeln zu können, vorzugsweise in Wärme-Kraft-Kopplung oder
Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung, in Methanol oder für die chemische Industrie, vorzugsweise
Polimerisierungen, Teilchlorierungen, Veresterungen und Veretherungen. Nun ist es
möglich, kleine dezentral anfallende Mengen von aufbereitetem Biogas durch die entfernte
Entnahme von einem oder mehrerer Großabnehmer und Verbraucher zu poolen, so daß der
economy-of-scale-Effekt für wirtschaftliche Umsetzungen ausgenutzt werden kann. Einige
Biogasanlagen und/oder Deponien können auch durch ein dezentrales Rohrleitungsnetz zu
einer gemeinsamen Aufbereitungsanlage zusammengeschlossen werden, bevor die
Netzeinspeisung und Durchleitung des methanhaltigen Hautproduktes zum
Abnehmer/Verbraucher erfolgt.
Biogase und Deponiegase werden zwar dezentral an einem beliebigen Ort produziert,
können nun aber an einem von der Einleitung entfernten Ort entnommen und verwertet
werden, indem sie nun vorzugsweise erdgasgleich aufbereitet von dem dezentral gelegenen
Produktionsort zu einem entfernten Verwertungsort transportiert werden. Die Aufbereitung
von Biogasen erfolgt mit Hilfe von physikalischen und physikalisch-chemischen Verfahren,
indem Feuchtigkeit, Schwefelwasserstoff, und Spurenbestandteile, die insbesondere in
Deponiegasen enthalten sind, vorzugsweise zuerst abgetrennt werden und vorzugsweise
danach Kohlendioxid und Methan voneinander getrennt werden. Die Trennungsverfahren
für Kohlendioxid und Methan sind weiter unten näher beschrieben.
Den bestehenden Anlagen und Verfahren zur Anreicherung von Methan und Abtrennung
von CO2 ist gemein, daß Kohlendioxid (vorzugsweise 80 bis 95% des ursprünglich im
Biogas vorhandenen) gemischt mit Methan (vorzugsweise 5 bis 20% des ursprünglich im
Biogas vorhandenen), als Abfallprodukt anfällt und üblicherweise als Abgas über eine
Fackel in die Umgebung abgegeben wird. Dieses Abfallprodukt wird erfindungsgemäß
verwendet, vorzugsweise am Ort der Entstehung oder am Ort der Aufbereitung des
Hauptproduktes.
Das zu transportierende erdgasgleiche Gas enthält hauptsächlich Methan (vorzugsweise 85
bis 96 Vol.-%). Dieses angereicherte Methan wird mit Hochdruckkompressoren,
vorzugsweise Schraubenkompressoren oder hydraulischen Kompressoren, über eine
Gasstrecke auf den geforderten Druck von vorzugsweise 2 bis 50 bar gebracht, um in ein
vorhandenes Leitungsnetz, in denen Gase gleicher Zusammensetzung transportiert werden,
vorzugsweise Erdgas, einzuspeisen. Die Gasstrecke enthält alle notwendigen
Sicherheitsvorrichtungen, Meßfühler, Durchflußmesser, Methanschnüffler,
schnellschließende Ventile und Rückschlagsicherungen.
Das erdgasgleich angereicherte Methan aus Biogasen und Deponiegasen wird auf einen
Druck von vorzugsweise 2-50 bar gebracht und in vorhandene Leitungsnetze,
vorzugsweise Leitungsnetze zur Beförderung von Gasen von gleicher Zusammensetzung,
vorzugsweise Erdgas, eingeleitet, zu einem entfernten Ort gefördert und dort von
Verwertern entnommen und verwertet, vorzugsweise für energetische Zwecke vorzugsweise
von Heizungsanlagen, vorzugsweise industrielle, und häusliche Anwendungen,
vorzugsweise Bäckereien, Fleischereien, Gastronomie, Gärtnereien, Wäschereien,
Textilreinigung, Prozeßwärmebereitern und Warmluftheizungen, Kochherden,
Wäschetrocknern, Wärmestrahlern, Lüftungssysteme. Erdgasgleiches Methan wird
vorzugsweise verwertet von Kälteanlagen, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und Kraft-
Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen, Absorptionskältemaschinen, Brennstoffzellen,
Gastankstellen für motorische Anwendung (Erdgasautos), chemischen Anlagen
vorzugsweise zur Erzeugung von Methanol und MTBE (Methyl-tert.-butylether). In
Gastankstellen wird das erdgasgleiche Methan auf einen Druck von vorzugsweise 200 bis
250 bar erhöht. Durch den Vordruck bei Entnahme aus dem Leitungsnetz kann im
Vergleich zur dezentralen Aufstellung der Gastankstelle der Bedarf an elektrischer
Kompressionsarbeit verringert werden. Das Methan wird in den entfernten Anlagen
vorzugsweise in chemische Stoffe mit nichtenergetischen Einsatzgebieten wie polimerisierte
und teilhalogenierte Produkte, wie Bromide, Cloride, Flouride, in Ester und Ether
umgewandelt. Das Methan wird vorzugsweise auf biotechnologischem Wege in Methanol,
wie weiter unten unter Nebenprodukt beschrieben, umgewandelt.
Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) aus Biogasen werden mit Hilfe von physikalischen
und physikalisch-chemischen Verfahren getrennt. Bei Anlagen mit einer Kapazität von 10
bis 100 m3/h geschieht dies vorzugsweise mit physikalisch-chemischen Verfahren der
Druckwäsche in wäßriger Lösung, z. B. mit dem Wechseldruckverfahren, oder in größeren
Anlagen mit einer Kapazität von vorzugsweise 50 bis 2.000 m3/h über physikalische
Verfahren. Im unteren Bereich kommen selektive Membranen mit kontinuierlicher
Gaspermeation und im oberen Bereich diskontinuierliche PSA-Anlagen (Druckwechsel-
Adsorptionsanlagen) mit Molekularsieben oder Aktivkohle zum Einsatz.
Das angereicherte erdgasgleiche Methan wird für energetische Zwecke vorzugsweise an
Gastankstellen, die mit der Anlage am gleichen Ort gekoppelt sein können oder mit der
Aufbereitung über das gekoppelt sind, abgegeben und direkt als Treibstoff in mobilen
Verbrennungsmotoren (Erdgasautos) und in Zukunft auch in Brennstoffzellen, vorzugsweise
in umgewandelter Form wie z. B. Methanol genutzt.
Falls erforderlich, wird vor der CO2-Nutzung der Methangehalt im CO2-Gas durch
energetische Nutzung auf Methankonzentrationen von vorzugsweise 0 bis 5 Vol.-% reduziert,
vorzugsweise am Ort der Entstehung oder der Aufbereitung, vorzugsweise mit einer
elektrochemischen Oxidation in Brennstoffzellen oder einer katalytischen Oxidation an
Metalldrähten unter stöchiometrischer Luftzufuhr. Diese Oxidation hat den Vorteil sehr
geringer spezifischer NOx-Emissionen. Bei sehr niedrigen Methangehalten kann das Methan
an sehr heißen Oberflächen, vorzugsweise im kraterförmigen Sandbett, zusammen mit
substöchiometrischen Mengen an Luftsauerstoff oxidiert werden.
Das im Methan/CO2-Gemisch enthaltene Methan wird katalytisch, chemisch oder mikrobiell
zu Methanol oxidiert, indem O2 oder ein Sauerstoffträger im stöchiometrisch richtigen
Verhältnis zugegeben wird. Die Reaktion findet vorzugsweise im Flüssig- oder
Festbettreaktor statt. Vorzugsweise wird als Sauerstoffträger Wasserstoffperoxid oder ein
Percarbonat verwendet.
Bei mikrobieller Oxidation werden vorzugsweise methylotrophe Mikroorganismen
verwendet, die die Fähigkeit der Weiteroxidation von Methanol verloren haben. Die
Mikroorganismen werden im Festbettreaktor in geeigneter Weise immobilisiert. Im
Flüssigreaktor kann ebenfalls eine Immobilisierung auf partikulären Trägermaterialien
stattfinden.
Das entstandene Methanol wird über geeignete Verfahren wie Membranverfahren,
Druckwechselverfahren, Mol-Siebe oder Ausfrieren aus dem Gasstrom entfernt. Die
Entfernung von Rest-Sauerstoff kann nach der Methanolausschleusung durch
erfindungsgemäße katalytische oder sonstige Oxidation von Restmethan zu CO2 erfolgen.
Bei dem Festbettverfahren in der Flüssigphase wird Methanol aus der Flüssigphase
abgetrennt.
Als Verfahrensalternative kann insbesondere bei relativ geringen Methankonzentrationen im
Rohgas auf eine vorlaufende Abtrennung von Methan verzichtet werden und das Rohgas
selbst der erfindungsgemäßen Behandlung unterworfen werden.
Methanol ist ein Grundstoff der chemischen Industrie und hat perspektivisch hohe
Absatzchancen als Kfz-Treibstoff (Brennstoffzelle nach katalytischer Zersetzung).
Das Methan im Abgas kann in Blockheizkraftwerken vorzugsweise durch Zumischung von
unbehandelten Biogasen oxidiert werden, damit der Methananteil über 30 bis 40 Vol.-% liegt.
Die Mischung von Nebenprodukt/Abgas mit unbehandelten Biogasen kann auch bei den
anderen energetischen Nutzungen erfolgen.
Zur Desodorierung kann das Abgas vorzugsweise in Aktivkohlefiltern behandelt werden,
um eventuell noch vorhandene Geruchsstoffe zu entfernen. Dadurch werden geschmacks-
und geruchsbildende Einflüsse auf das gelagerte Gut vermieden. CO2 selber ist geschmack-
und geruchlos, ungiftig und erstickend.
Das Abgas wird vorzugsweise nach Entfernung des Methans wegen des hohen
Kohlendioxidgehaltes genutzt.
Die Abgasverwertung als Kohlenstoffquelle ermöglicht folgendes: Abgas-CO2 wird
vorzugsweise in Treibhäuser mit und ohne hydroponischen Kulturverfahren für Obst, Heil-
und Gewürzpflanzen, Zierpflanzen, Gemüsen, aber auch in freiwachsende pflanzliche
Kulturen in einer Konzentration von vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Vol.-% und in Aquakulturen
vorzugsweise über Vorrichtungen zur feinperligen Gasverteilung als CO2-Dünger
eingeleitet, um seine Wirkung als Kohlenstoffquelle zum Wachstum für vorzugsweise
autotrophe und kombiniert autotrophe/heterotrophe Lebewesen zu entfalten. Kohlendioxid
kann vorzugsweise hohe pH-Werte im Wasser neutralisieren, die bei Wachstum bestimmter
Algen durch Nährstoffentzug aus dem Wasser auftreten. CO2 dient nicht nur als
Kohlenstoffquelle, sondern erhöht in Treibhäusern/Gewächshäusern bei Sonneneinwirkung
den Treibhauseffekt, wodurch der Heizenergiebedarf im Winter, z. B. das Verbrennen von
Öl in Öfen, die in den Treibhäusern aufgestellt werden, verringert werden kann.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend in einem Diagramm angegeben,
wobei über die erfindungsgemäße Verwendung hinaus weitere Verwendungsmöglichkeiten
angegeben sind.
Claims (12)
1. Verwendung eines CO2-haltigen Abgases als Kohlenstoffquelle für Pflanzen, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei dem Abgas um ein bei der Aufbereitung von Biogasen
und/oder Deponiegasen neben dem methanhaltigen Hauptprodukt anfallendes CO2-
haltiges Nebenprodukt mit einem CO2-Gehalt von wenigstens 60 Vol.-% handelt.
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Methangehalt des CO2-
haltigen Abgases zwischen 0 bis 5 Vol.-% beträgt.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas 80-95%
des ursprünglich im Biogas vorhandenen CO2 und 5-20% des ursprünglich im Biogas
vorhandenen Methans enthält.
4. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abgas einen CO2-Gehalt von 60-95 Vol.-% aufweist.
5. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in ein
Treibhaus für Obst, Heil- und Gewürzpflanzen, Zierpflanzen und/oder Gemüse eingeleitet
wird.
6. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es
sich um ein Treibhaus mit hydroponischem Kulturverfahren handelt.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in
freiwachsende pflanzliche Kulturen eingeleitet wird.
8. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abgas in Aquakulturen eingeleitet wird.
9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas hohe pH-Werte
im Wasser neutralisiert.
10. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abgas über Vorrichtungen zur feinperligen Gasverteilung eingeleitet wird.
11. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abgas in einer Konzentration von 0.1 bis 0.2 Vol.-% eingeleitet wird.
12. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas bei
Sonneneinwirkung den Treibhauseffekt erhöht.
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