DE19951929A1 - Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Energieträgers aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen und zugehörige Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Energieträgers (15), insbesondere Methan, aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen (3) mit den Schritten: DOLLAR A Zerkleinern (101) der pflanzlichen Rohstoffe (3) in einer Zerkleinerungseinrichtung (2), insbesondere einer Mühle, Einfüllen der Rohstoffe in einen Faulbehälter (12) und Auffangen (107) des durch Faulen der Rohstoffe im Faulbehälter (12) entstehenden Energieträgers (15) sowie eine zugehörige Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Energieträgers, insbesondere Methan, aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen, sowie eine zugehörige Vorrichtung.

Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung eines gasförmigen Energieträgers aus Fäkalien sind beispielsweise aus der DE 197 56 485 A1 bekannt. Hierzu werden Fäkalien in einem Faulbehälter im Durchschnitt mehrere Tage bei einer Temperatur von beispielsweise etwa 35°C eingelagert und das entstehende Faulgas aufgefangen. Derartige Vorrichtungen kommen insbesondere in der Landwirtschaft und in Kläranlagen zum Einsatz.

Mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist der gegenwärtige Energiebedarf der Menschheit nur zu einem sehr kleinen Teil zu decken. Darüberhinaus sind die nicht weiter faulbaren Reststoffe aufgrund der in den eingebrachten Fäkalien enthaltenen und nicht faulbaren Inhaltstoffe in der Regel als Sondermüll zu entsorgen. Die Energiebilanz der bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist dadurch verschlechtert.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Energieträgers und eine zugehörige Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Die Energieausbeute des Verfahrens soll möglichst hoch sein. Die zugehörige Vorrichtung soll kostengünstig in der Herstellung, dem Betrieb und der Wartung sein.

Das Problem wird durch das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren bzw. durch die zugehörige erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.

Durch die Verwendung von nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen, insbesondere landwirtschaftlichen Produkten, steht das Ausgangsmaterial in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung und weist keine hinsichtlich einer erforderlichen Entsorgung problematischen Inhaltsstoffe auf. Das Verfahren ist beispielsweise durch Verwertung landwirtschaftlicher Überproduktionen ökologisch und ökonomisch vorteilhaft. Beispielsweise können neben Hackfrüchten wie Rüben, Kartoffeln und Kohl auch Gras und Laub eingesetzt werden. Das Zerkleinern der pflanzlichen Rohstoffe dient insbesondere der Oberflächenvergrößerung. Die zerkleinerten Rohstoffe werden in einen Faulbehälter eingefüllt, in dem eine insbesondere anaerobe, bakteriell bedingte Zersetzung oder Fäulnis der organischen Substanzen stattfindet. Dabei wird als gasförmige Energieträger im wesentlichen Methan freigesetzt, eventuell auch noch Wasserstoff und/oder Schwefelwasserstoff. Der gasförmige Energieträger wird aufgefangen, beispielsweise in einer in dem Faulbehälter integrierten Gashaube, und entweder unmittelbar der Umwandlung in elektrische Energie und/oder Wärme zugeführt oder in einem Gaslager gespeichert.

Dadurch, daß in einer Mischeinrichtung, insbesondere integriert in die Zerkleinerungseinrichtung, Wasser den zerkleinerten Rohstoffen beigemischt wird, entsteht ein Rohstoffbrei. Die Menge des beigemischten Wassers ist vorzugsweise durch eine Meß-, Steuer- und Regeleinheit kontrollierbar und vorzugsweise so bemessen, daß der Rohstoffbrei einen Feuchtigkeitsgehalt zwischen 30 und 70 Gew.-% aufweist, insbesondere etwa 55 Gew.-%. Grundsätzlich wird in Abstimmung mit der Art der eingebrachten Rohstoffe sowenig Wasser wie möglich und nur so viel Wasser wie nötig beigemischt, da das Wasser in der Regel nur Ballast für die anschließende Fäulnis ist. Insbesondere soll durch das Zumischen von Wasser die Pumpbarkeit des Rohstoffbreis verbessert werden.

Dadurch, daß die Mischung vor dem Einfüllen in den Faulbehälter in einem Lagerbehälter zwischengelagert wird, in dem vorzugsweise keine oder keine wesentliche Fäulnis erfolgt, steht der Rohstoffbrei jederzeit bevorratet zur Verfügung und das Verfahren ist insbesondere hinsichtlich des Einfüllens der Rohstoffe in den Faulbehälter einfach automatisierbar. Der Lagerbehälter ist vorzugsweise luftdicht abgeschlossen. Die Rohstoffe können über das Jahr verteilt jeweils entsprechend ihrer Verfügbarkeit als Rohstoffbrei in den Lagerbehälter eingebracht werden. Das Entnehmen aus dem Lagerbehälter und Einfüllen in den Faulbehälter kann von einem Computerprogramm gesteuert sein, das beispielsweise die aktuelle Gasentwicklung, die Temperatur, die Standzeit der Inhaltsstoffe des Faulbehälters und/oder die Zusammensetzung bzw. den Energiegehalt des zur Verfügung stehenden Rohstoffbreis berücksichtigt.

Dadurch, daß der Inhalt des Faulbehälters erwärmt wird, insbesondere mittels einer Heizeinrichtung beheizt wird, kann die Gasentwicklung angeregt werden. Die Erwärmung kann auch durch Sonneneinstrahlung erfolgen. Zu diesem Zweck kann der Faulbehälter eine die Wärmestrahlung absorbierende Oberfläche aufweisen und/oder mit einer die Wärmestrahlung reflektierenden Abdeckung abdeckbar sein.

Dadurch, daß der Inhalt des Faulbehälters homogenisiert wird, insbesondere mittels einer Rühreinrichtung gerührt wird, wird der Entstehung von Sink- und Schwimmschichten vorgebeugt, bzw. derartige Schichten werden dadurch aufgelöst. Die Gasentwicklung ist dadurch erhöht. Die Rührachse ist in geeigneter Weise innerhalb des Faulbehälters ausgerichtet, insbesondere vertikal oder horizontal ausgerichtet.

Dadurch daß der aufgefangene Energieträger in einem Gaslager gespeichert wird, kann in Zeiten mit günstigen Bedingungen für die Gasentwicklung, beispielsweise im Sommer bei hohen Außentemperaturen, viel Gas generiert und gespeichert werden, die in Zeiten mit erhöhtem Energiebedarf, beispielsweise im Winter, verbraucht werden kann.

Dadurch, daß der nicht weiter faulbare Reststoff aus dem Faulbehälter abgepumpt wird und als Dünger verwendet wird, entfällt das Problem der Faulschlammentsorgung. Außerdem ist der ökologische Kreislauf dadurch vorteilhaft geschlossen. Die Verwendung als Dünger ist möglich, da die eingesetzten pflanzlichen Rohstoffe keine wesentliche Schadstoffbelastung aufweisen.

Die Zerkleinerungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist entsprechend der pflanzlichen Rohstoffe wählbar. Beispielsweise ist eine Mühle, insbesondere eine Schlagmühle, oder eine Schneid- oder Schnitzelmaschine einsetzbar. Der Faulbehälter ist vorzugsweise zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, und kann an seiner Außenumfangsfläche eine Wärmeisolation aufweisen.

Die Auffangeinrichtung kann beispielsweise aus einer sich entsprechend der vorhandenen Gasmenge verformbaren und vorzugsweise in den Faulbehälter integrierten Gashaube aufweisen oder einen Trichter mit einer entsprechenden Gasableitung.

Die Zerkleinerungseinrichtung weist einen Wasseranschluß auf, über den vorzugsweise mittels eines computergesteuerten Absperr- oder Regelventils eine insbesondere hinsichtlich der Pumpfähigkeit ausreichende Menge Wasser den zerkleinerten pflanzlichen Rohstoffen zuführbar ist. Zerkleinerungseinrichtung und Mischeinrichtung können von derselben Antriebswelle antreibbar sein. Das Einfüllen in den Faulbehälter kann durch eine Schneckenpumpe, beispielsweise durch eine Exzenterschneckenpumpe, oder durch eine Drehkolbenpumpe erfolgen. Mittels derselben oder einer weiteren Pumpe, die insbesondere von einer Meß- und Steuereinrichtung steuerbar ist, ist eine vorgebbare Menge der Mischung aus dem Lagerbehälter in den Faulbehälter pumpbar. Die Pumpe ist dabei von der Steuereinrichtung beispielsweise in regelmäßigen Abständen einschaltbar, beispielsweise einmal täglich, wobei sich die Einschaltdauer unter Berücksichtigung der Pumpleistung nach der erforderlichen, neu in den Faulbehälter einzubringenden Menge des Rohstoffbreis richtet. Die Mischung ist im Faulbehälter mittels einer Heizeinrichtung beheizbar, die vorzugsweise am Umfang des Faulbehälters angeordnet ist. Die Rühreinrichtung zur Homogenisierung des Inhalts des Faulbehälters ist vorzugsweise von außerhalb des Faulbehälters antreibbar, beispielsweise mittels eines Elektromotors oder über eine an einen Traktor anschließbare Antriebswelle. Mit derselben oder einer weiteren Pumpe ist der nicht weiter faulbare Reststoff aus dem Faulbehälter abpumpbar und als Dünger verwendbar. Zum Abpumpen ist vorzugsweise an der tiefsten Stelle des Faulbehälters ein Abpumprohr angeschlossen, das mit einer Pumpe verbindbar ist. Der abgepumpte Reststoff kann bei Bedarf in einem Reststoffbehälter zwischengelagert werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Fig. 1 zeigt das Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt das Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 101 werden die angelieferten pflanzlichen Rohstoffe zerkleinert. Manuell oder in Abhängigkeit des Ergebnisses einer Messung 102a der Feuchtigkeit in dem zerkleinerten Material wird gegebenenfalls Wasser beigemischt 102. Die Menge des beigemischten Wassers ist vorzugsweise abhängig von dem Ergebnis der Messung der Feuchtigkeit. Anschließend wird der so hergestellte Rohstoffbrei in einem Lagerbehälter zwischengelagert 103. Aus diesem Lagebehälter wird in vorgebbaren oder in von einer Meß- und Steuereinheit, beispielsweise aufgrund der Messung der Gasentwicklung in dem Faulbehälter, bestimmbaren Zeitabständen eine vorgebbare Menge des Rohstoffbreis in den Faulbehälter gepumpt 104. Ebenfalls in regelmäßigen Zeitabständen oder in durch die Meß- und Steuereinheit bestimmbaren Zeitabständen wird der Inhalt des Faulbehälters in Bewegung gesetzt, insbesondere gerührt 105. Zum Zwecke der Erhöhung der Gasabscheideaktivität wird der Inhalt des Faulbehälters erwärmt 106, beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 35°C. Die sich aus dem Inhalt des Faulbehälters abscheidende Gasmenge wird aufgefangen 107 und in einem Gaslager zwischengespeichert oder unmittelbar einer Einrichtung zur Umwandlung in elektrische Energie und/oder Wärme zugeführt. In regelmäßigen Zeitabständen oder in von der Meß- und Steuereinheit bestimmten Zeitabständen wird eine vorgebbare Menge von nicht weiter faulbaren Reststoffen aus dem Faulbehälter abgepumpt 108 und in einem Reststoffbehälter zwischengelagert oder unmittelbar als Dünger verwendet, insbesondere für die landwirtschaftlichen Flächen, welche die pflanzlichen Rohstoffe als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren hervorgebracht haben. Gleichzeitig oder anschließend an das Abpumpen 108 wird eine entsprechende Menge des Rohstoffbreis aus dem Lagerbehälter in den Faulbehälter gepumpt 104.

Das Verfahren wird vorzugsweise automatisch durch die Meß- und Steuereinrichtung kontrolliert, insbesondere die Pumpen unter Berücksichtigung der Gasabscheideaktivität ein- und ausgeschaltet. Bei Bedarf kann auch das Zerkleinern 101 der pflanzlichen Rohstoffe automatisiert erfolgen, beispielsweise über ein Förderband, welches die pflanzlichen Rohstoffe aus einem entsprechenden Sammelbehälter der Zerkleinerungseinrichtung zuführt. Das Rühren 105 des Inhalts des Faulbehälters kann insbesondere auch während des Pumpens 104 des Rohstoffbreis in den Faulbehälter erfolgen, um eine gute Durchmischung des neu eingefüllten Rohstoffbreis mit dem im Faulbehälter befindlichen Inhalt zu erzielen.

Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Der Zerkleinerungseinrichtung 2 werden die pflanzlichen Rohstoffe 3 zugeführt.

Den zerkleinerten Rohstoffen wird in einer Mischeinrichtung 4 bei Bedarf Wasser in der erforderlichen Menge beigemischt. Der so entstehende Rohstoffbrei ist mittels einer Schneckenpumpe 5 in einen Lagerbehälter 6 pumpbar, bei dem es sich um einen konventionellen Futtermittelsilo handeln kann. Die Zuführleitung 7 kann höhenverstellbar sein. In dem Lagerbehälter 6 ist auch ein Rohstoffbrei einfüllbar, der aus unterschiedlichen, gleichzeitig oder nacheinander der Zerkleinerungseinrichtung zugeführten pflanzlichen Rohstoffen hergestellt worden ist. Die Zerkleinerungseinrichtung 2 und die Mischeinrichtung 4 bzw. die Schneckenpumpe 5 sind von einer gemeinsamen Antriebswelle 8 einer Antriebseinheit 9 antreibbar.

Aus dem Lagerbehälter 6 ist bei Bedarf mittels einer zweiten Pumpe 10, beispielsweise einer Schneckenpumpe, die von einem Elektromotor 11 antreibbar ist, eine vorgebbare Menge des Rohstoffbreis in den Faulbehälter 12 pumpbar. Das Abpumpen des Rohstoffbreis aus dem Lagerbehälter 6 erfolgt vorzugsweise an dessen tiefster Stelle. Insbesondere weist der Lagerbehälter 6 hierzu an seiner Bodenfläche eine Vertiefung auf, an der die Ansaugleitung der zweiten Schneckenpumpe 10 angeschlossen ist. Das Einfüllen des Rohstoffbreis in den Faulbehälter 12 erfolgt vorzugsweise oberhalb einer Rühreinrichtung 13. Diese ist über eine Antriebswelle 13a und eine Kupplung 13b von außerhalb des Faulbehälters 12 antreibbar, beispielsweise mittels eines Elektromotors oder mittels einer Antriebswelle eines Traktors. Die Antriebswelle 13a ist dabei horizontal und derart am Mittelpunkt des vorzugsweise zylindrischen Faulbehälters 12 vorbei ausgerichtet, daß der Inhalt des Faulbehälters beim Rühren in eine Drehbewegung versetzbar ist. Der sich vom Inhalt 14 des Faulbehälters 12 abscheidende gasförmige Energieträger 15 ist mittels einer Abdeckung 16, die zusammen mit der Wand des Faulbehälters 12 einen Gasraum bildet, auffangbar und über eine Gasabströmleitung 18 einem Gassammelbehälter zuführbar oder, wie schematisch dargestellt, einer Einrichtung zur Umwandlung in elektrische Energie 19 und/oder thermische Energie 20 zuführbar. Die Abdeckung 16 kann eine ballonartig aufblähbare Hülle aufweisen, die an ihrem Rand an der Wand des Faulbehälters 12 gasdicht festgelegt ist. Je nach Gasfüllmenge bläht sich die Abdeckung 16, die auch elastisch verformbar sein kann, bis an das Dach 17 des Faulbehälters 12 auf oder sinkt zusammen, wobei durch eine Trenn- oder Stützeinrichtung ein Aufliegen der Abdeckung auf dem flüssigen Inhalt des Faulbehälters 12 verhinderbar ist.

Der Teil der nicht weiter faulbaren Reststoffe ist über eine Abpumpleitung 21 aus dem Faulbehälter 12 abpumpbar und beispielsweise als Dünger verwendbar. Das Abpumpen erfolgt beispielsweise wiederum an einer tiefsten Stelle des Faulbehälters 20. Alternativ oder ergänzend kann auch über ein Steigrohr an der Mantelfläche 12a des Faulbehälters 12 abgepumpt werden, das gleichzeitig einen Überlaufschutz bildet. Mittels einer Heizeinrichtung 22 ist der Inhalt 14 des Faulbehälters 12 erwärmbar. Die Heizeinrichtung 22 kann auch entlang der Mantelfläche 12a des Faulbehälters 12 angeordnet und von einer Wärmeisolation umgeben sein.

Die Energie für den Betrieb aller Komponenten 2, 4, 5, 10, 13 und 22 der Vorrichtung 1 ist durch das abgeschiedene Gas 15 bereitstellbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet daher energetisch autark. Der zu erzielende Energieüberschuß kann beispielsweise zur Deckung des Energiebedarfs eines landwirtschaftlichen Betriebes eingesetzt werden oder anderen Energieverbrauchern zur Verfügung gestellt werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Gewinnung eines gasförmigen Energieträgers (15) insbesondere Methan, aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen (3) mit den Schritten:

• a) Zerkleinern (101) der pflanzlichen Rohstoffe (3) in einer Zerkleinerungseinrichtung (2), insbesondere einer Mühle,
• b) Einfüllen der Rohstoffe in einen Faulbehälter (12) und
• c) Auffangen (107) des durch Faulen der Rohstoffe im Faulbehälter (12) entstehenden Energieträgers (15).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Mischeinrichtung (4), insbesondere integriert in die Zerkleinerungseinrichtung (2), Wasser den zerkleinerten Rohstoffen beigemischt (102) wird, vorzugsweise bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt der Mischung von 30 bis 70 Gew.-%, insbesondere etwa 55 Gew.-%.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung vor dem Einfüllen in den Faulbehälter (12) in einem Lagerbehälter (6) zwischengelagert (103) wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung pumpbar ist und daß eine vorgebbare Menge der Mischung aus dem Lagerbehälter (6) mittels einer von einer Meß- und Steuereinrichtung steuerbaren Pumpe (10) in den Faulbehälter (12) gepumpt (104) wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt (14) des Faulbehälters (12) erwärmt (106) wird, insbesondere mittels einer Heizeinrichtung (22) beheizt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Faulbehälters (12) homogenisiert wird, insbesondere mittels einer Rühreinrichtung (13) gerührt (105) wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgefangene Energieträger (15) in einem Gaslager gespeichert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht weiter faulbare Reststoff aus dem Faulbehälter (12) abgepumpt (108) wird und als Dünger verwendet wird.

9. Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Energieträgers (15), insbesondere Methan, aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen (3) mit:

• a) einer Zerkleinerungseinrichtung (2), insbesondere einer Mühle, zum Zerkleinern der pflanzlichen Rohstoffe (3),
• b) einem Faulbehälter (12), in den die Mischung einfüllbar ist, und
• c) einer Auffangeinrichtung (16) für den durch Faulen der Mischung im Faulbehälter entstehenden Energieträger (15).

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Mischeinrichtung (4), insbesondere integriert in die Zerkleinerungseinrichtung (2), Wasser den zerkleinerten Rohstoffen beimischbar ist, vorzugsweise bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt der Mischung von 30 bis 70 Gew.-%, insbesondere etwa 55 Gew.-%.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung vor dem Einfüllen in den Faulbehälter (12) in einem Lagerbehälter (6) zwischen lagerbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung pumpbar ist und daß eine vorgebbare Menge der Mischung aus dem Lagerbehälter (6) mittels einer von einer Meß- und Steuereinrichtung steuerbaren Pumpe (10) in den Faulbehälter (12) pumpbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung im Faulbehälter (12) mittels einer Heizeinrichtung (22) beheizbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt (14) des Faulbehälters (12) homogenisierbar ist, insbesondere mittels einer Rühreinrichtung (13) rührbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgefangene Energieträger (15) in einem Gaslager speicherbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht weiter faulbare Reststoff aus dem Faulbehälter (12) abpumpbar und als Dünger verwendbar ist.