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ANLAGE ZUR GEWINNUNG VON BIOGAS
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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Biogas nach
der Gattung des Hauptanspruchs.
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Das bei der Ausfaulung organischer Abfallstoffe,z.B.in der Landwirtschaft
in großen Mengen anfallender tierischer Exkremente 'entstehende Biogas ist seiner
Zusammensetzung nach dem Erdgas sehr ähnlich und damit sowohl hinsichtlich seines
Energieinhalts als auch seiner Einsatzmöglichkeiten ein sehr interessanter Energieträger,der
sowohl zu Heizzwecken wie auch zum Antrieb von Motoren unmittelbar eingesetzt werden
kann und daher auch zur Erdöl-und Erdgas-Substitution geeignet ist.
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Voraussetzung dafür ist selbstverständlich,daß dieses Biogas mit einem
wirtschaftlich vertretbaren Aufwand,d.h.zu konkurrenzfähigen Preisen erzeugt werden
kann.
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Zur Erzeugung von fliogas geeignete Anlagen sind in der Landwirtschaft
seit langem bekannt Das gemeinsame lau- und Funktionsprinzip der bekannten Anlagen
besteht darin,di jweils anfallende Biomasse,z.B.mit Stroh versetzten
Mist,in
einem Reaktionsbehälter dem Gär- oder Faulprozeß zu unterwerfen,wobei dieser Reaktionsbehälter
in der Regel mit einem Teil des erzeugten Biogases beheizt wird,um eine für eine
gute Ausbeute und einen beschleunigten Ablauf des Gärvorganges geeignete Temperatur
T R im Reaktionsbehälter aufrecht zu erhalten.Das überschüssige Biogas kann dann
unmittelbar zur Beheizung der Wohn- und Wirtschaftsgebäude eingesetzt werden.
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Der Wirkungsgrad solcher Anlagen,d.h.das Verhältnis der überschüssigen
zu beliebigen Zwecken benutzbaren Biogasmenge zur insgesamt erzeugten Biogasmenge,liegt,je
nach Größe der Anlagen, zwischen 40% und 70%,maximal bei ca.80%,wobei die höheren
Wirkungsgrade nur bei relativ großen Anlagenfürz.B.einige hundert Großvieheinheiten(GVE)erreichbar
sind;kleinere Anlagen,die an Betriebsgrößen mit z.B. 50 GVE oder weniger angepaßt
sind,arbeiten mit erheblich niedrigeren Wirkungsgraden,sodaß es sich bei landwirtschaftlichen
Klein- und Mittelbetrieben in aller Regel nicht lohnt,das über den Eigenbedarf hinaus
anfallende Biogas zu sammeln und nach geeigneter Aufbereitung weiter zu verwerten;
das in solchen Kleinbetrieben über den Eigenbedarf hinaus erzeugte Biogas wird daher
in der Regel abgefackelt.
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Um auch die in kleineren landwirtschaftlichen Betrieben anfallenden
tierischen Exkremente zu einer rationellen Biogasgewinnung auszunutzen,könnte daran
gedacht werden,Großanlagen zu erstellen, in denen der aus mehreren landwirtschaftlichen
Betrieben gesammelte Mist zentral verarbeitet wird.Es muß dann aber ein erheblicher
Energieaufwand für den Transport der vergärbaren Biomasse in Kauf genommen werden,und
es ist auch nicht mehr auf einfache Weise möglich,das einfallende Biogas in den
einzelnen Betrieben direkt zu nutzen;daher bleibt auch bei solchen Großanlagen ein
nach Abzug des für den Transport der Biomasse und die Aufbereitung des erzeugten
Biogases erforderlichen Einsatzes an Primärenergie sowie einer zur Aufrechterhaltung
der Reaktionstemperatur benötigten Biogasmenge verbleibender Energiegewinn aus dem
überschüssigen Biogas verhältnismäßig gering.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,eine Anlage der eingangs genannten
Art anzugeben,die einen deutlich höheren Wirkungsgrad hat und darüber hinaus auch
die Möglichkeit beinhaltet, den in der Umgebung der Anlage vorhandenen Wärmevorrat
zur Biogasgewinnung heranzuziehen und dadurch eine höhere Gasausbeute zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale der Erfindung auf einfache Weise gelöst.
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Zur Erläuterung der vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Anlage sei - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - davon ausgegangen,daß sich die
Anlage in ihrem stationären Betriebszustand befinde,in dem die engen fl des pro
Zeiteinheit in den Reaktionsbehälter eingetragenen Gutes und des aus diesem ausgetragenen
Gutes gleich sind.Die Temperatur TR im Reaktionsbehälter betrage 30°,die Temperatur
T5 im Wärmespeicher 2o0C;die Temperatur T des eingetragenen Gutes sei ebenfalls
200C.Abgesehen a von Wärmeverlusten'die bei den bekannten Anlagen un der erfindungsgemäßen
Anlage dieselben sind und insoweit für einen Vergleich außer Betracht bleiben können,ist
die Wärmemenge WAt die zur AufWtr;wng des einzutragenden Gutes benötigt wird,gegeben
durch die Beziehung WA = ##(TR - Ta) worint die spezifische Wärme des einzutragenden
Gutes bedeutet. Der Wärmeinhalt W des ausgetragenen Gutes ist dann, wenn für dieses
dieselbe spezifische Wärme C angenommen wird, wie für das einzutragende Gut: W =
MlT .
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Die von dieser Wärmemenge in den Wärmespeicher einkoppelbare und damit
zurückgewinnbare Wärmemenge WR ist dann durch die Beziehung
WR=M(TRTS)
gegeben und beträgt,wenn man den übertragungsfaktor Ij- des hierzu vorgesehenen
Wärmetauschers realistisch zu 0,8 < ç C 0,9 annimmt,80 - 90% der pro Zeiteinheit
für die Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur TR benötigten Wärmemenge .Die
dem Wärmespeicher zur Aufrechterhaltung der Speichertemperatur T5 zuzuführende rlSirmemenge
beträgt somit lediglich 10-20% der dem Reaktionsbehälter zuzuführenden Werme,die
insgesamt dem Wärmespeicher entnommen und mittels der Wärmepumpe in den Reaktionsbehälter
eingekoppelt wird.Die hierfür benötigte Betriebsenergie für die Wärmepumpe beträgt,wenn
man davon ausgeht,daß das Temperaturniveau,auf dem die Wärme in den Reaktionsbehälter
eingekoppelt wird,ca.100 über der Reaktionstemperatur TR liegt,bei ca.1/8 der insgesamt
übertragenen Wärmeenergie,da dann die reale Leistungsziffer E der Wärmepumpe,die
mit 50% ihres theoretischen Wertes ' gleich Tq/ (I~-fws) abgeschätzt werden kann,ungefähr
gleich 1/8 ist.Durch die bel der erfindungsgemäßen Anlage vorgesehene Wärmerückgewinnung
in Verbindung mit der Einkopplung der Wärme in den Reaktionsbehälter mittels der
Wärmepumpe wird demnach der Energiebedarf für die Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur
auf etwa 1/3 desjenigen Wertes reduziert,der benötigt würde,wenn der Wärmebedarf
im Reaktionsbehälter allein durch Verbrennung eines Anteils des gewonnenen Biogases
gedeckt würde.
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Verglichen mit einer bekannten Anlage mit einem Wirkungsgrad von ca.60%
hat eine erfindungsgemäße Anlage,wenn man annimmt, daß auch bei dieser der Wärmebedarf
des Wärmespeichers durch Verbrennung eines geeigneten Anteils des gewonnenen Biogases
gedeckt wird,einen Wirkungsgrad von ca.85% und damit eine wesentlich höhere Ausbeute
an überschüssigem Biogas,das für eine beliebige Verwendung zur Verfügung bleibt.
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Diese zu einer beliebigen Verwendung verbleibende Gasmenge läßt sich
dadurch noch erheblich steigern,daß der durch die Aufrechterhaltung
der
Speichertemperatur TS entstehende Wärmebedarf'wie gemäß Anspruch 2 vorgesehen,mindestens
teilweise durch die mittels einer Sonnenkollektor-Anordnung gewonnene Absorptionswärme
gedeckt wird;in Anbetracht des günstig hohen Wirkungsgrades der Anlage kann eine
solche Sonnenkollektor-Anordnung auf relativ kleine Wärmeleistungen ausgelegt werden,sodaß
der diesbezügliche zusätzliche Investitionsaufwand gering bleibt.
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Die Einkopplung der mittels der Sonnenkollektor-Anordnung gewonnenen
Wärme in den Rückgewinnungs-Wärmespeicher ist jedenfalls vorteilhaft,wenn diese
Wärme auf einem Temperaturniveau anfällt,das niedriger oder allenfalls geringfügig
höher ist als die im Reaktionsbehälter aufrecht zu erhaltende Reaktionstemperatur
TR.
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Zweckmäßig ist es,wenn die im Rahmen der erfindungsgemäßen Anlage
vorgesehene Sonnenkollektor-Anordnung so dimensioniert ist, daß die mit dieser gewonnene
Absorptionswärme,zumindest an sonnenreichen Tagen,auf einem Temperaturniveau anfällt,das
deutlich höher ist als die Reaktionstemperatur TR.In der durch den Anspruch 3 umrissenen
Gestaltung der erindungsgemäßen Anlage besteht dann die Möglichkeit,diese Absorptionswärme
- unter "Umgehung" der Wärmepumpe - direkt in den fleaktionsbehälter einzukoppeln
und dadurch mindestens zeitweise den für den Betrieb der Wärmepumpe erforderlichen
Energiebedarf zu vermeiden.
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Durch die Merkmale der Ansprüche 4-8 sind weitere Gestaltungen der
erfindungsgemäßen Anlage angegeben,die sich insbesondere für eine rationelle Nutzung
der mittels der Sonnenkollektor-Anordnung oder aus einer anderen Wärmequelle gewinnbaren
Wärme eignen,die hinsichtlich der Menge und des Temperaturniveaus der anfallenden
Warme mit einer Sonnenkollektor-Anordnung vergleichbar
ist.Auf
die diesbezüglichen Einzelheiten der erfindungsgemäßen Anlage wird in der nachfolgenden
Beschreibung des Ausft rungsbeispiels detaillicrtereingegangen werden.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 9,gegebenenfalls in Kombination mit
denjenigen des Anspruchs 10 ist eine Gestaltung der erfindungsgemäßen Anlage angegeben,die
in Verbindung mit den bereits erläuterten Komponenten dieser Anlage eine besonders
wirksame Ausnutzung eines weiteren Wärmereservoirs ermöglicht,in welchem, für sich
allein gesehen,das Temperaturniveau niedriger ist als im Rückgewinnungs-Wärmespeicher.
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Schließlich sind durch die Ansprüche 11 und 12 spezielle Konstruktionsmerkmale
der Wärmepumpe angegeben,die in Verbindung mit den im Rahmen der erfindungsgemäßen
Anlage vorgesehenen Wärme-Rückgewinnungs-und Speicher-Einrichtungen einen Betrieb
der Wärmepumpe mit besonders hoher Leistungsziffer ergeben.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der erfindungsgemäßen Anlage ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand
der Zeichnung.Es zeigen: Fig.1 ein Funktionsschema einer erfinclungsqemaßen Anlage
zur Biogas-Gewinnung und Fig.2 Einzelheiten der Schaltung einer im Rahmen der Anlage
gemäß Fig. 1 einsetzbaren,speziellen Wärmepumpe.
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Die in der Fig.1 dargestellte erfindungsgemäße Anlage 10 zur Biogasgewinnung
umfaßt als funktionswesentliche Bestandteile einen Real-tionsbehälter 11, in dem
die zur Verfügung stehende Biomasse,z.B.in der landwirtschaftlichen Großviehhaltung
anfallende tierische Exkremente'bei definierter Reaktionstemperatur TR einem Faulprozeß
unterliegt,mit dem die gewünschte Biogasentwicklung einhergeht,sowie eine Heizeinrichtung,mit
der die für die Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur TR erforderliche Wärme
dem Reaktionsbehälter bzw.dem in diesem enthaltenen Reaktionsgut zuführbar ist.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1,auf deren Einzelheiten
ausdrücklich verwiesen sei,ist der Reaktionsbehälter 11 als ein liegend angeordneter,zylindrischer
Stahltank ausgebildet,an dessen einem Ende das Reaktionsgut mittels einer Förderpumpe
12 clnqetragen wird,und an dessen gegenüberliegen-<icm winde da; ausreagierte
Gut austritt;im stationären Betrieb der Anlage 10 fließt in dem Reaktionsbehälter
11 ein kontinuierlicher Materialstrom vom Eingang 13 zum Ausgang 14 des Reaktionsbehälters
11,wobei die mittlere Verweildauer der Biomasse in dem Reaktionsbehälter 10,je nach
dem Niveau der gewählten Reaktionstemperatur zwischen 20 und 30 Tagen beträgt.
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Mit Hilfe einer der lördermenge 12 voryeschalteten Zerkleineruns-
und Mischvorrichtung 15 können dem einzutragenden Gut weitere organische Zuschlagstoffe,
die die vergärbare Biomasse erhöhen, z. B. Stroh oder Holzabfälle, in hinreichend
feinkörniger und homogener Verteilung beigegeben werden. Zum Zweck der Beschreibung
sei angenommen, daß die Anlage 10 auf die in einem landwirtschaftlichen Betrieb
mit 50 Großvieheinheiten (GVE) anfallende, vergärbare Biomasse ausgelegt sei, die
pro GVE und Tag ca. 5 ky/d betragt.Dicsc Mengenangabe betrifft den Feststoffbi.w.
Trockensubstanzanteil (TS-Gehalt) des als wässrige Aufschlämmung vorliegenden Reaktionsgutes.
Iür dicsen Lall hat der Reaktionsbehälter 11 ein Volumen von ca. 40m³, wobei seine
Länge ca.
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,5m beträgt. lnl sLaLiunaren Isel.ritbszustantl der Anlage 10 ist
ist
der Behälter 11 ein zu etwa 8OX qerfillt, cl. h. der Faulraum bzw. der von der Biomasse,
die in Wasser aufgeschlämmt ist, eingenommene Teil des Behältervolumens beträgt
ca. 32m3; dementsprechend hat der Gasraum, in dem das sich entwickelnde Biogas unter
einem gewissen Uberdruck steht, der sowohl für die Austragung des ausreagierten
Gutes wie auch zur Füllung eines in der Fig. 1 durch
einen Gasballon
16 veran;chaulichten Auffangbehälters ausgenutzt werden kann,ein Volumen von ca.
8m3.tJm bei einer mittleren Verweildauer des Reaktionsgutes von 20 Tagen diesen
Füllungsgrad des Reaktionsbehälters 10 zu erreichen,müssen dem täglich anfallenden
Feststoffanteil der Biomasse von ca.250kg etwa 1,5m3 Wasser zugesetzt werden.Pro
Kilogramm organischen Feststoffanteils der Biomasse sind bei einer Reaktionstemperatur
T R von 3 300C ca.0,5-0,7m³ Biogas zu erwarten,d.h.die pro Tag anfallende Biogasmenge
liegt bei mindestens 125m3 und kann durch Zugabe anderer organischer Stoffe,z.B.Stroh
im genannten Verhältnis noch beträchtlich,d.h.mindestens auf das Doppelte erhöht
werden.
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Das entstehende Biogas hat eine Zusammensetzung(ca.6O-70Methan, ca.25-40%Kohlendioxid
und insgesamt ca.5-15% Wasserstoff,Stickstoff,Ammoniak,Kohlenmonoxid Sauerstoff
niedrige Kohlenwasserstoffsäuren und Schwefelwasserstoff),der demjenigen von Erdgas
weitgehend entspricht,sodaß es auch in ähnlicher Weise wie dieses nutzbar ist.
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Um mit möglichst geringem Energieeinsatz eine möglichst hohe Gasausbeute
zu erzielen,ist in Verbindung mit dem Reaktionsbehälter 11 zur Aufrechterhaltung
der günstigsten Reaktionstemperatur TR die weiter in der Fig.1 in Einzelheiten dargestellte
Heizeinrichtung vorgesehen.
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Wesentliche Bestandteile dieser llcizeinriclltung sind ein iln stationären
Betrieb der Anlage auf konstanter Temperatur TS, die niedriger ist als die Reaktionstemperatur
TR,gehaltener Wärmespeicher 17,in den mittels eines vom auszutragenden Gut durchströmten
Wärmetauschers 18 ein Teil der von dem ausreagierten Gut mitgeführten Wärme einkoppelbar
ist,sowie eine Wärmepumpe 19,mit der dem Wärmespeicher 17 Wärme entzogen und auf
erhöhtem Temperaturniveau wieder in den Reaktionsbehälter 11 eingekoppeltfrw. auf
dasReaktionsgut übertragen werden kann.
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Der Wärmespeicher 17 ist als ein gut wärmeisolierter Wasserspeicher
ausgebildet'der eine etwa dem im Faulraum enthaltenen Reaktionsgut entsprechende
Wärmekapazität hat.Die Wärmepumpe 19 ist vorzugsweise als eine Wasser-an-Wasser-Wärmepumpe
ausgebildet,deren prirnärseitiger,an ihren Verdampfer 20 angeschlossener Wärmetauscher
21,mit welchem dem Rückgewinnungs-Wärmespeicher 17 Wärme entziehbar ist,im oberen
Teil des Speicher-Wasservolumens angeordnet ist,und deren an den Kondensator 22
angeschlossener,sekundärseitiger Wärmetauscher 23 im unteren Teil des Faulraumes
des Reaktionsbehälters 11 angeordnet ist.
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Mittels eines Rührwerks 24 mit langsam um die zentrale Längsachse
des Reaktionsbehälters 11 rotierenden Mischflügeln wird eine gute Durchmischung
des Reaktionsgutes und gleichmäßige Temperaturverteilung im Reaktionsvolumen gewährleistet.
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Ausgehend von dem einleitend diskutierten Fallbeispiel,wonach die
Temperatur T des in den Reaktionsbehälter 11 einzutragenden a Gutes und die Temperatur
des Rückgewinnungs-Wärmespeichers 17 als etwa gleich der Umgebungstemperatur von
ca.200C und die Reaktionstemperatur TR um etwa 300C angenommen wurde,ist bei der
insoweit erläuterten Anlage 10 gemäß Fig.1 der zur Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur
TR erforderliche Energiebedarf etwa gleich 1/3 derjenigen Wärmemenge,die fortlaufend
in den Reaktionsbehälter 11 eingekoppelt werden muß,wobei der größere,ca.758 dieses
Energiebedarfs umfassende Anteil zur Nachlieferung der dem Wärmespeicher 17 entnommenen
Wärmemenge,d.h.
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in Form von Heizenergie aufzubringen ist,die durch Verbrennung eines
geringen Teils des gewonnenen Biogases ohne weiteres gedeckt werden kann.
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Geht man jedoch davon aus'daß die Temperatur Ta des einæutragenden
Gutes eine Mischtemperatur von einem Teil tierischer Exkremente mit einer Temperatur
von etwa 35°C und etwa sechs Teilen Wasser ist,dessen Temperatur z.B.200C ist,so
beträgt diese Mischtemperatur
etwa 220die zur Aufwärmung des eingetragenen
Gutes auf die Reaktionstemperatur TR erforderliche Wärmemenge beträgt dann nur noch
M fC 8 und entspricht im erläuterten Fallbeispiel der im Wärmetauscher zurückgewonnenen
Wärme von Mt (TR-Ts),wenn TR ,wen = 300C und T5 200C betragen und t zu 0,8 angenommen
wird.Dic für die iibertrnqunq dieser Wärmemenge aus dem Wärmespeicher 17 auf das
Reaktionsgut benötigte Energie, die in Form mechanischer Arbeit des Kompressors
26 der Wärmepumpe 19 aufgebracht werden muß,entspricht dann dem durch den Reziprokwert
der effektiven Leistungsziffer der Wärmepumpe 19 gegebenen Bruchteil dieser Wärmemenge
und beträgt,wenn die von der Wärmepumpe 19 sekundärseitig abgegebene Wärme auf einem
Temperaturniveau TE von etwa 400C abgegeben wird,ungefähr 1/8 der übertragenen Wärmemenge.
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Die zur Wärmeübertragung auf das Reaktionsgut benötigte Energie kann
weiter dadurch vermindert werden,daß die Speichertemperatur Ts auf einem höheren
Niveau gehalten wird,sodaß die Leistungsziffer der Wärmepumpe 19 noch günstiger
wird;Voraussetzung dafür ist natürlich,daß dem Wärmespeicher 17 noch auf andere
Weise Wärme auf höherem Temperaturniveau zugeführt werden kann,und daß der dafür
erforderliche Energieaufwand kleiner ist als die zur Aufrechterhaltung des höheren
Temperaturniveaus einzukoppelnde Wärmemenge.
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Zu diesem Zweck ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Anlage 10 eine
Sonnenkollektor-Anordnung 27 vorgesehen,mit der zumindest an sonnenreichen Tagen
in ausreichender Menge anfallende Strahlungswärme in den Wärmespeicher 17 eingekoppelt
werden kann.Ein dafür vorgesehener,in den Wärmetransportmittelkreislauf der Sonnenkollektor-Anordnung
27 einschaltbarer Wärmetauscher 28 ist zweckmäßigerweise im unteren Teil.des Wasser-Wärmespeichers
17 angeordnet.Die für die Absorption der Strahlungsenergie vorgesehenen
Sonnenkollektoren
können auf dem Dach eines in der Nähe des Warmespeichers befindlichen Gebäudes installiert
sein,und gegebenenfalls auch auf einem Drehgestell,das im Tagesverlauf die für die
Strahlungsabsorption günstigste Orientierung der Kollektorflächen aufrecht erhält
und dadurch eine optimale Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung gewährleistet.
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Die Sonnenkollektor-Anordnung kann konstruktiv auch in den Reaktionsbehälter
11 integriert sein;hierzu können vom Wärmetransportmittel durchströmte WärmegewinnungsRohre
vorgesehen sein, die in gutem Wärmekontakt mit dem Stahlzylinder stehend auf einem
der Sonnenstrahlung aussetzbaren,oberen Detektor-Bereich der äußeren Mantelfläche
des Reaktionsbehälters 11 montiert sind, wobei dieser Bereich des Behälters 11 zweckmäßigerweise
geschwärzt istrsodaß ein möglichst großer Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung
in Absorptionswärme umgewandelt wird.Eine den Reaktionsbehälter 11 im Normalfall
allseitig umgebende Wärmedämmschicht ist dann zweckmäßigerweise so ausgebildet,daß
ihr zur Abdeckung des genannten,die Wärmegewinnungs-Rohre tragenden Sektorbereichs
des Behältermantels vorgesehener Teil klappbar oder schwenkbar oder auf andere Weise
entfernbar und wieder in die Abdeckstellung bringbar ist,damit die Anlage 10 auf
einfache Weise von einem mit Ausnutzung der Sonnenstrahlen arbeitenden Tagbetrieb
in den eine möglichst perfekte allseitige Isolation des Reaktionsbehälters 11 erfordernden
Nachtbetrieb umgestellt werden kann.
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Die Sonnenkollektor-Anordnung 27 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß
der mit dieser erzielbare Wärmegewinn an mittleren Sonnentagen mit einer Einstrahlungsdauer
von ca.5Stunden ausriecht, die dem Wärmespeicher 17 entzogene Wärme nachzuliefern
und die Temperatur T5 im Wärmespeicher 17 auf einem erhöhten Niveau,
z.B.auf
250C zu halten,in welchem Falle sich der für die Wärmeübertragung auf das Reaktionsgut
erforderliche Energiebedarf der Wärmepumpe 19 auf etwa 1/10 der übertragenen Wärmemenge
reduzieren würde.
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Da die mit der Sonnenkollektor-Anordnung 27 gewinnbare Wärme, jedenfalls
an Tagen mit intensiver Sonneneinstrahlung auf einem Temperaturniveau anfällt,das
deutlich höher ist als die im Reaktionsbehälter 11 aufrecht zu erhaltende Heaktionstemperatur
TR, ist es vorteilhaft,wenn in einem solchen Fall die gewonnene Strahlungswärme
direkt in den Reaktionsbehälter 11 eingekoppelt wird.Zu diesem Zweck ist für das
Sonnen-Kollektorsystem 27 dasselbe Wärmetransportmittel vorgesehen wie im sekundärseitigen
Wärmetransportmittelkreislauf 22,23 der Wärmepumpe 19 und der im Reaktionsbehälter
11 vorgesehene Wärmetauscher 23 ist mittels zweier Wegeventile 29 und 31 direkt
in den Wärmetransportmittelkreislauf der Sonnenkollektor-Anordnung 27 einschaltbar
Die in dieser Betriebsart der erfindungsgemäßen Anlage 10 für die Wärmeeinkopplung
in den Reaktionsbehälter 11 benötigte Energie ist dann im wesentlichen durch die
Leistungsaufnahme einer zur Aufrechterhaltung des Wärmetransportmittelstromes vorgesehenen
Förderpumpe
32 bestimmt,die deutlich geringer ist als die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe 19,wenn
diese zwischen den Temperaturniveaus TE von 400C und T5 von 250C arbeitet.
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An sonnenreichen Tagen kann bei vorgegebener Dimensionierung der Sonnenkollektor-Anordnung
27 die mit dieser auf hohem Temperaturniveau - z.B.600C oder mehr - gewinnbare Wärmemenge
deutlich größer sein als die zur Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur TR benötigte'sodaß
auf dem genannten hohen Temperaturniveau TH befindlictìe,überschüssige Wärme vorhanden
ist.Um auch diese Wärme zu einer "direkten"Beheizung des Reaktionsgutes ausnutzen
zu können,ist ein weiterer,vorzugsweise als Wasserspeicher ausgebildeter Wärmespeicher
33 vorgesehen,in welchem ein Wärmetauscher 34 angeordnet ist,der mittels der Wegeventile
36 und 37 mit der Sonnenkollektor-Anordnung 27 und mittels der Wegeventile 38 und
39 mit dem im Reaktionsbehälter angeordneten Wärmetauscher 23 jeweils zu einem geschlossenen
Wärmetransportmittelkreislauf zusammenschaltbar ist.Im einen Fall wird dieser Wärmetauscher
34 zur Einkopplung der in der Sonnenkollektor-Anordnung 27 anfallenden Strahlungs-Absorptionswärme
in den Hochtemperaturspeicher 33 benutzt, im anderen Fall zur Auskopplung der in
diesem Speicher 33 gespeicherten Wärme und Einkopplung derselben in den Reaktionsbehälter
11.Im erstgenannten Fall - der Einkopplung der Wärme in den Hochtemperatur-bzw.Solarwärmespeicher
33-kann zur Steuerung des diesbezüglichen Wärmetransportmittelstromes die auch zur
Steuerung des Wärmetransportmittelstromes durch den Wärmetauscher 28,über den Strahlungs-Absorptionswärme
in den Rückgewinnungs-Wärmespeicher 17 einkoppelbar ist,vorgesehene Förderpumpe
41 ausgenutzt werden;im anderen Fall - der direkten Wärmeübertragung aus dem Solarwärmespeicher
33 in den Reaktionsbehälter 11-wird der Wärmetransportmittelstrom mittels der im
sekundarscitigen Krcislauf der WarmL'pumpc 19 vorgesehenen Förderpumpe 32 gestcuert.Durch
diese Mehrfachausnutzung der einzelnen Komponenten der insoweit erläuterten Heizeinrichtung
wird
insgesamt ein einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Anlage
10 erzielt.
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Von dem Solarwärmespeicher 31 aufgenommene Wärme kann mittels eines
weiteren,in dem Solarwärmespeicher 33 vorgesehenen Wärmetauschers 42 in den Verdampfer-oder
Primärkreislauf der Wärmepumpe 19 eingekoppelt werden.In der vom Verdampfer 20 der
Wärmepumpe zu dem weiteren Wärmetauscher 42 führenden Rücklaufleitung 43 ist ein
Drosselventil 44 vorgesehen,mit dem der für den Wärmetransportmittelstrom durch
den weiteren Wärmetauscher 42 maßgebliche Strömungswiderstand einstellbar ist.Stromauf
von dem Drosselventil 44 zweigt eine die Rücklaufleitung des Wärmetauschers 42 mit
der Rücklaufleitung 46 des im Rückgewinnungs-Wärmespeicher 17 angeordneten Wärmetauschers
21 verbindende erste Umwegleitung 47 ab,die mittels eines steuerbaren Ventils 48
absperrbar ist;stromab von dem Drosselventil 44 mündet in die Rücklaufleitung 43
des weiteren Wärmetauschers 42 eine von der Rücklaufleitung 49 des im Rückgewinnungs-Wärmespeicher
17 angcordneten Wärmetauschers 21 ausgehende zweite Umwegleitung 51, die ebenfalls
mittels eines steuerbaren Ventils 52 absperrbar ist.
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Wenn die Absperrventile 48 und 52 geöffnet sind und das trosselventil
54 gesperrt ist,sind der im Rückgewinnungs-Wärmespeicher 17 angeordnete Wärmetauscher
21 und der im Solarwärmespeicher 33 angeordnete weitere Wärmespeicher 42 hintereinandergeschaltet;
wenn das Drosselventil 44 mit vorgebbarem Strömungswiderstand durchgängig und die
Absperrventile 48 und 52 geschlossen sind, sind die genannten beiden Wärmespeicher
21 und 42 parallel geschaltet,wobei das Verhältnis der dem Rückgewinnungs-Wärmespeicher
17 zu der dem Solarwärmespeicher 33 entnommenen Wärmemenge durch die Einstellung
des Drosselventils 44 einstellbar ist.In beiden Betriebsarten der Anlage 10 wird
der Wärmetransportmittclstrom durch die beiden Wärmetauscher 21 und 42 und den
Verdampfer
20 der Wärmepumpe 19 durch deren primärseitige Förderpumpe 53 vermittelt.Der Parallelbetrieb
der beiden Wärmetauscher 21 und 42 hat den Vorteil,daß man innerhalb der durch die
jeweiligen Speicher temperaturen TH und TS vorgegebenen Schranken die Temperatur
auf der Primärseite der Wärmepumpe 19 als Mischtemperatur der Wärmetransportmittel-Teilströme
sehr genau einstellen und über längere Zeit auf einem konstanten Wert halten kann'wobei
es sich natürlich versteht,daß in sämtlichen miteinander koppelbaren Wärmetransportmittelströmen
dasselbe Wärmetransportmittel,in der Regel entsalztes Wasser eingesetzt wird.
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Weitere Möglichkeiten,in der Umgebung der Anlage 10 anfallende Wärme
zur Temperierung des Reaktionsgutes auszunutzen,sind in der Fig.1 durch ein an den
Verdampfer bzw.Primärkreislauf der Wärmepumpe 19 anschließbares Wärmetauschersystem
54 repräsentiert, mit dem z.B.dem unterhalb des Rückgewinnungs-Wärmespeichers 17
befindlichen Erdreich Wärme entzogen werden kann.Dieses Wärmetauschersystem 54 ist,gesteuert
durch zwei Wegeventile 56 und 57 in Kombination mit den Wärmetauschern 21 und/oder
42 oder alternativ zu diesen zur Wärmeeinkopplung in den Primärkreislauf der Wärmepumpe
19 benutzbar.
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Das Wärmetauschersystem 54 ist in der aus der Fig.1 ersichtlichen
Weise über eine Zulaufleitung 58 und eine Rücklaufleitung 59 mit dem zur Einkopplung
von Strahlungswärme in den Rückgewinnungs-Wärmespeicher 17 vorgesehenen Wärmetauscher
28 verbunden;durch zweckentsprechende Betätigung der Wegeventile 36 und 37 bzw.65
und 57 und Aktivierung einer in die zum Wärmetauschersystem 54 führende Zulaufleitung
58 eingeschalteten Förderpumpe 61 kann mittels des das Wärmetauscher sy s tem 54
und den Wärmetauscher 28 durchsetzenden, in sich geschlossenenWarmetransportmittelkreislaufs
Wärme aus dem RUckgewinnungs-Wärmespeicher 17 in das Erdreich eingekoppelt werden'ion
das das Wärmetauschersystem 54 eingebettet
ist.Das Erdreich ir;t
dadurch atif einem Temperaturniveau Tt,das deutlich niedriger ist als dasjenige
im Riickgewinnungs-Warmespeicher 17,ebenfalls als Wärmespeicher benutzbar.
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Um aus dem auf relativ hohem Temperaturniveau T11 befindlichen Wärmespeicher
33 Wärme direkt in den Rückqewiinungs-Wärmespeicher 17 einkoppeln zu können,ist
eine in der Fig.1 nur schematisch angedeutete Wärmerohr-Batterie 62 vorgesehen.Dabei
wird zur Wärmeübertragung ein kontinuierlich ablaufender Verdampfungs-nd Kondensationsprozeß
eines in einzelnen Wärmerohren der Batterie 62 eingeschlossenen,teilweise in flüssigem,
teilweise in gasförmigem Zustand vorliegenden Wärmeträgers, z.B.Alkohol,ausgenutzt,der
am wärmeren Ende - bei der Temperatur TH des Solarwärmespeichers 33-verdampft,wobei
die Verdampfungswärme dem Speicher 33 entzogen wird,und am kälteren Ende - bei der
Temperatur T5 des Wärmerückgewinnungsspeichers 17-kondensiert,wobei hierdurch frei
werdende Kondensationswärme in den Rückgewinnungswärmespeicher 17 eingekoppelt wird.Der
kondensierte Wärmeträger fließt,z.B.unter dem Einfluß der Schwerkraft, zurück zum
warmen Ende des Wärmerohres.Die Verwendung der Wärmerohr-Batterie 62 zur Wärmeübertragung
vom Hochtemperatur-Wärmespeicher 33 in den Rückgewinnungs-Wärmespeicher 17 erfordert
zwar eine bestimmte,räumlich benachbarte Anordnung dieser beiden Speicher'hat aber
den Vorzug,dafl zur Wärmeübertragung praktisch keinerlei Fremdenergie benötigt wird.Eine
Unterbrechung des über die Wärmerohr-Batterie 62 fließenden Wärmestromes kann durch
VerXnderung der Neigung der Wärmerohre erzielt werden, derart,daß das Kondensat
des Wärmeträgers nicht mehr zum wärmeren Ende zurückströmen kann.
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Durch die in Rahmen der erfindungsgemäßen Anlage 10 vorgesehenen Einrichtungen
ur Wärmegewinnung und -rückgewinnung sowie zur
Speicherung der
auf verschiedenen Temperaturniveaus anfallenden Wärmemengen und deren Einkopplung
in den Reaktionsbehälter 11 kann die insgesamt anfallende Wärme optimal ausgenutzt
und somit die Biogas-Ausbeute optimiert werden,die natürlich noch in Relation zu
der für den Betrieb der Wärmepumpe 19 und der Wärmetransportmittel-Förderpumpen
32,41,53 und gegebenenfalls 61 benötigten, z.B.elektrischen,Hilfsenergie zu sehen
ist.
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Um einen solchen Isedarf an eiekLricher Energie von der Ausnutzung
eines Teils des gewonnenen Biogases möglichst gering zu halten,kann im Rahmen der
erfindungsgemäßen Anlage 10 auch eine spezielle Wärmepumpe 63 eingesetzt werden,deren
grundsätzlicher Aufbau und funktionelle Verknüpfung mit einzelnen Komponenten der
Anlage 10 schematisch in der Fig.2 dargestellt ist, wobei ansonsten funktionell
entsprechende Komponenten in den Fig.1 und 2 mit denselben Bezugszeichen belegt
sind.
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Der Kompressor 26 der Wärmepumpe 63 wird mit einem Gasmotor 64 angetrieben,der
mit einem Teil des mit der Anlage 10 erzeugten Biogases betrieben wird.Auf hohem
Temperaturniveau anfallende Abwärme dieses Gasmotors 64 wird mittels eines Gas-an
Wasser-Wärmetauschersystems 66 in den llochtemperatur-Wärmespeicher 33 eingekoppelt
und dadurch größtenteils zurückgewonnen.
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Mittels eines zweiten,im Gasraum des Kondensators 22 der Wärmepumpe
63 vorgesehenen Gas-an Wasser-Wärmetauschersystems 67 kann dem in überhitztem,dampfförmigem
Zustand aus dem Kompressor 26 in den Kondensator 22 eintretenden Arbeitsmedium der
Wärmepumpe 63 ebenfalls Wärme auf hohem Temperaturniveau entzogen und,entweder wie
in der Fig.2 dargestellt,ebenfalls in den Hochtemperatur-Wärmespeicher 33 ,gegebenenfalls
auch in den Rpckgewinnungs-Warmespeicher 17 eingekoppelt werden.Durch diesen lsntzug
der Uberhitzungswäru'e und deren Rückgewinnung in einem
der ohnehin
vorgesehenen Würmespeicher 33 bzw.17 wird eine nicht unerhebliche Vergrößerung der
effektiven Leistungsziffer der Wärmepumpe 63 und im ergebnis eine entsprechend erhöhte
Biogas-Ausbeute erzielt.
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Es versteht sich,daß die erfindungsgemäße Anlage 10 auch mit anderen
als den im einzelnen beispielhaft erläuterten Reaktions-und Speichertemperaturen
betrieben werden kann,und daß eine zum zweckentsprechenden Betrieb der Anlage geeignete,selbsttätig
arbeitende Steuerungsvorrichtung mit Hilfe elektrisch steuerbarer Ventile und die
Soll-Temperatur im Reaktionsbehälter sowie die Ist-Temperaturen in den einzelnen
Wärmetransportmittel-Kreisläufen überwachender Temperaturfühler auf einfache,dem
Fachmann geläufige Weise,realisierbar ist.