DE3840517A1 - Verfahren und vorrichtung zur energieerzeugung aus biomasse - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur energieerzeugung aus biomasseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieerzeugung aus
Biomasse, wobei die Biomasse durch Vergärung in Biogas
umgewandelt, das Biogas gegebenenfalls mit Erdgas gemischt, und
das gegebenenfalls mit Erdgas gemischte Biogas verbrannt und in
einer ersten Vorrichtung in elektrische Energie und/oder in
Wärmeenergie umgewandelt wird, sowie eine Vorrichtung zur
Energieerzeugung aus Biomasse, wobei eine Biogaseinrichtung zur
Erzeugung von Biogas aus Biomasse und eine mit der
Biogaseinrichtung verbundene erste Vorrichtung zum Verbrennen
des Biogases und zur Erzeugung von elektrischer Energie
und/oder von Wärmeenergie vorgesehen ist.
Die Belastung von Luft, Boden und Wasser durch die
exponentiell zunehmende Ausnutzung der natürlichen Ressourcen
von Öl, Gas und Kohle bedeudet eine existentielle Bedrohung.
Die natürlichen Vorkommen von Öl, Kohle und Gas wurden und
werden zu schnell verbraucht. In den letzten 40 Jahren wurden
dieselben Mengen Öl, Gas und Kohle zur Energieerzeugung
verbrannt, wie seit Beginn der Menschheit.
Ein weiteres Problem der sog. 1. Welt ist durch die
Überproduktion in der Landwirtschaft gegeben, die mit den
Schlagworten "Milchsee", "Butterberg" und "Fleischberg"
verbunden ist. Diese Überproduktionen erfordern hohe
Subventionsmittel. Deshalb wurde in letzter Zeit vorgeschlagen,
landwirtschaftliche Flächen stillzulegen. Dabei ergibt sich
jedoch wiederum das Problem, daß die anfallende Biomasse, z.B.
das anfallende Gras, deponiert werden muß. Eine andere
Möglichkeit, die derzeit ausgenutzt wird, besteht in der
Verbrennung der Gasabfälle mittels Heizöl. Dazu werden wiederum
natürliche Energieressourcen benötigt, wobei sich ebenfalls
wieder eine Umweltbelastung durch das bei der Verbrennung von
Heizöl entstehende Rauchgas ergibt.
Aus der DE 33 41 027 A1 des Anmelders ist eine Vorrichtung zur
Erzeugung von Biogas und/oder Dünger aus organischen Abfällen,
bei denen es sich bspw. um Grasabfälle handeln kann, bekannt.
In einer solchen Vorrichtung ist es möglich, aus 1 kg Gras-
Trockensubstanz 300 m3 Biogas zu erzeugen. Allein mit den an
den deutschen Straßenrändern anfallenden Grasabfällen, die bei
4×108 kg/a liegen, wäre es demnach möglich, 12×1010m3
Biogas zu erzeugen. Das entspricht einem Heizöl-Äquivalent von
100 Mil. Liter Heizöl pro Jahr.
Selbstverständlich kommen zur Energieerzeugung als Biomasse
nicht nur Grasabfälle in Frage, sondern es ist auch ein
gezielter Energiepflanzenanbau möglich.
Infolge der sich erhöhenden Anforderungen bzgl. der
Abwasserqualität kommen auf die Kommunen hohe
Investitionskosten zu, die von der Bevölkerung zu tragen sein
werden.
Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen,
durch welche die Investitionskosten der Gemeinden für die
erforderliche Verbesserung der Abwasserqualität durch
Energiegewinnung aus Biomasse reduziert werden, wobei
gleichzeitig die bspw. durch Nitratbelastung des Grundwassers
gegebenen Deponieprobleme für die anfallende Biomasse zumindest
größtenteils eliminiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in
der ersten Vorrichtung erzeugte elektrische Energie mindestens
teilweise zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und
Sauerstoff verwendet wird, daß der erzeugte Wasserstoff
gespeichert und/oder in einer zweiten Vorrichtung in Wärme
und/oder elektrische Energie umgewandelt und/oder zum Antrieb
von Fahrzeugen verwendet wird und daß der erzeugte Sauerstoff
gespeichert und/oder gemeinsam mit dem erzeugten Wasserstoff in
einer Brennstoffzelleneinrichtung in elektrische Energie
umgewandelt und/oder zur biologischen Reinigung von Wasser bzw.
Kläranlagen-Abwasser verwendet wird. Erfindungsgemäß wird die
in der Biomasse vorhandene innere Energie also durch relativ
saubere Verbrennung mindestens zu einem Teil in elektrische
Energie umgewandelt, die zur an sich bekannten Aufspaltung von
Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird. Der
Wasserstoff und der Sauerstoff können voneinander getrennt
gespeichert werden, so daß sich auf diesem Wege eine
Speicherung der in der Biomasse vorhandenen inneren Energie
ergibt. Der erzeugte Sauerstoff wird mindestens teilweise zur
biologischen Reinigung von Wasser- bzw. Kläranlagen-Abwasser
verwendet, so daß sich insgesamt die Möglichkeit ergibt, in
einer Kläranlage Abwasser verbesserter Qualität zu erzeugen,
ohne daß hierfür ein erheblicher Energiezukauf erforderlich
wäre. Gleichzeitig entsteht bei der Vergärung der Biomasse in
vorteilhafter Weise ein die Umwelt nicht so stark belastender
Naturdünger.
Für den erzeugten Wasserstoff gibt es eine Vielzahl an sich
bekannter Nutzungsmöglichkeiten wie Flammenbrenner,
Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Brennstoffzellen,
katalytische Heizer bzw. Dampferzeuger, wie sie bspw. in dem
Buch "Die gespeicherte Sonne; Wasserstoff als Lösung des
Energie- und Umweltproblems", Hermann Scheer, Verlag: Piper,
München, Zürich, Oktober 1987, Seiten 35, 36 beschrieben sind.
Die Biomasse kann zur Biogaserzeugung siliert und/oder
pelletiert werden. Dadurch ergibt sich eine verbesserte
Einsatzmöglichkeit der Biomasse bzw. eine optimale Möglichkeit
ihrer Zwischenlagerung.
Die bei der Verbrennung des gegebenenfalls mit Erdgas
gemischten Biogases erzeugte Wärmeenergie kann einem externen
Verbraucher und/oder dem Speicher für den Wasserstoff und/oder
der zweiten Vorrichtung zur Umwandlung des Wasserstoffes in
Wärme und/oder elektrische Energie und/oder der Brennstoffzelle
zugeführt werden. Durch eine derartige Wärmezufuhr ergibt sich
eine Verbesserung des Verfahrenswirkungsgrades.
Die erzeugte elektrische Energie wird vorzugsweise mindestens
teilweise in ein öffentliches Stromnetz eingespeist. Das
bedeutet in vorteilhafter Weise eine Strom-Gaskopplung des
öffentlichen Gasnetzes und des öffentlichen Stromnetzes mittels
der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zeitlich schwankend zur Verfügung stehende Biogasmassen können
mittels des öffentlichen Strom- und/oder Gasnetzes ausgeglichen
werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieerzeugung aus
Biomasse, wobei eine Biogaseinrichtung zur Erzeugung von Biogas
aus Biomasse und eine mit der Biogaseinrichtung verbundene
erste Vorrichtung zur Verbrennung des Biogases und zur
Erzeugung von elektrischer Energie und/oder von Wärmeenergie
vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine
Elektrolysezelle zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und
Sauerstoff vorgesehen ist, die mit der ersten Vorrichtung
verbunden ist. In der Elektrolysezelle wird die innere Energie
der Biomasse durch eine saubere Verbrennung und durch
Stromerzeugung mit gutem Wirkungsgrad zur Aufspaltung von
Wasser ausgenutzt, wobei insbes. der Wasserstoff als
Energieträger speicherbar sind.
Die Elektrolysezelle ist vorzugsweise mit einer
Sammeleinrichtung für Sauerstoff und/oder mit einer
Sammeleinrichtung für Wasserstoff verbunden. Bei der
Speichereinrichtung für Wasserstoff handelt es sich
vorzugsweise um einen an sich bekannten
Eisentitanhydridspeicher, wie er bspw. in der oben
beschriebenen Literaturstelle "Die gespeicherte Sonne...",
Seiten 178 ff. beschrieben ist.
Die Sauerstoffsammeleinrichtung und die
Wasserstoffsammmeleinrichtung können mit einer zur elektrischen
Eneregieerzeugung vorgesehenen Brennstoffzelle verbunden sein.
Derartige Brennstoffzellen haben einen hohen Entwicklungsstand
erreicht, so daß mit ihrer Hilfe eine Energieumwandlung hohen
Wirkungsgrades erzielbar ist, wobei sich der besondere Vorteil
ergibt, daß bei dieser Energieumwandlung keine Probleme einer
Umweltbelastung entstehen. Die Brennstoffzelle ist vorzugsweise
mit einem öffentlichen Stromnetz und/oder mit der
Elektrolysezelle elektrisch leitend verbunden. Das bedeutet,
daß die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie an
das öffentliche Stromnetz und/oder an die der Brennstoffzelle
vorgeschaltete Elektrolysezelle abgegeben wird.
Die Wasserstoffsammeleinrichtung ist vorzugsweise mit einer
zweiten Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme- und/oder
elektrischer Energie verbunden. Bei dieser zweiten Vorrichtung
kann es sich wie bei der weiter oben beschriebenen ersten
Vorrichtung um ein an sich bekanntes Blockheizkraftwerk
handeln, in welchem die innere Energie von Biogas,
gegebenenfalls mit Erdgas gemischtem Biogas oder von Erdgas
allein über einen sauberen Verbrennungsvorgang in Wärme
und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.
Die zweite Vorrichtung kann mittels einer Wärmekoppelleitung
mit der Wasserstoffsammeleinrichtung und/oder mit der
Brennstoffzelle verbunden sein. Durch eine derartige
Wärmekopplung ergibt sich eine Verbesserung des
Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung. Dem gleichen Zweck dient
es, wenn die erste und/oder zweite Vorrichtung mittels
Wärmekoppelleitungen mit einer der Biogaseinrichtung
vorgeschalteten Vorrichtung zum Silieren bzw. Pelletieren der
Biomasse verbunden sind.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Blockdarstellung.
Einer Vorrichtung 10 zum Silieren und/oder Pelletieren von
Biomasse ist eine Biogaseinrichtung 12 nachgeschaltet, die zur
Erzeugung von Biogas aus der Biomasse dient. Der Pfeil 14 soll
die Eingabe der Biomasse in die Silier- bzw.
Pelletiervorrichtung 10 andeuten. Der Pfeil 16 stellt die
fluidische Verbindung zwischen der Silier- bzw.
Pelletiervorrichtung 10 und der Biogaseinrichtung 12 dar.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Biomasse unter
Umgehung der Silier- bzw. Pelletiervorrichtung 10 direkt in die
Biogaseinrichtung 12 einzuleiten. Das in der Biogaseinrichtung
12 erzeugte Biogas wird einem Mischer 18 zugeführt, was durch
den Pfeil 20 angedeutet ist. Ein zweiter, von der
Biogaseinrichtung 12 nach unten verlaufender Pfeil 22 soll den
in der Biogaseinrichtung 12 entstehenden Naturdünger andeuten.
Der Mischer 18 ist mittels einer Rohrleitung, die durch einen
Doppelpfeil 24 angedeutet ist, mit einem öffentlichen Gasnetz
26 fluidisch verbunden. Der Mischer 18 ist außerdem mittels
einer Rohrleitung, die durch den Pfeil 28 angedeutet ist, mit
einer ersten Vorrichtung 30 verbunden, die bspw. als
Blockheizkraftwerk ausgebildet ist, und in der das durch die
Rohrleitung (Pfeil 28) und/oder durch eine zweite Rohrleitung
(Pfeil 32) der ersten Vorrichtung zugeführte Biogas bzw.
gegebenenfalls mit Erdgas gemischte Biogas bzw. Erdgas allein
sauber verbrannt und in elektrische Energie und/oder in
Wärmeenergie umgewandelt wird. Die erste Vorrichtung 30 ist mit
einer Elektrolysezelle 34 verbunden, die einen durch den Pfeil
36 angedeuteten Wassereinlaß aufweist. In der mit elektrischer
Energie von der ersten Vorrichtung 30 (Pfeil 38) und/oder aus
einem öffentlichen Stromnetz 40 mit elektrischer Energie (Pfeil
42) versorgten Elektrolysezelle wird das Wasser in an sich
bekannter Weise in Wasserstoff und in Sauerstoff aufgespalten,
wobei der Sauerstoff in einer Sauerstoffsammeleinrichtung 44
und der Wasserstoff in einer Wasserstoffsammeleinrichtung 46
gesammelt wird. Die fluidische Verbindung zwischen der
Elektrolysezelle 34 und der Sauerstoffsammeleinrichtung 44 ist
durch den Pfeil 48 und die fluidische Verbindung zwischen der
Elektrolysezelle 34 und der Wasserstoffsammeleinrichtung 46 ist
durch den Pfeil 50 angedeutet. Die Sauerstoffsammeleinrichtung
44 ist mit einer Speichereinrichtung 52 fluidisch verbunden,
was durch den Pfeil 54 verdeutlicht ist. Die
Wasserstoffsammeleinrichtung 46 ist mittels einer Rohrleitung
(Pfeil 56) mit einer Wasserstoffspeichereinrichtung 57
fluidisch verbunden, bei der es sich vorzugsweise um einen
Eisentitanhydrid-Speicher handelt. Die
Sauerstoffsammeleinrichtung 44 ist außerdem mittels einer
Rohrleitung (Pfeil 58) mit einem Abwasserbecken 60 fluidisch
verbunden. Durch die Einleitung von Sauerstoff in das
Abwasserbecken 60 kann in besonders einfacher und vorteilhafter
Weise die Qualität des im Abwasserbecken vorhandenen Abwassers
den vom Gesetzgeber festgelegten Grenzwerten entsprechend
verbessert werden.
Die Sauerstoffsammeleinrichtung 44 und die
Wasserstoffsammeleinrichtung 46 sind ferner mit einer
Brennstoffzelle 62 fluidisch verbunden, was durch die Pfeile 64,
66 angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 62 ist außerdem mit der
ersten Vorrichtung 30 wärmemäßig gekoppelt, was durch den
Pfeil 65 angedeutet ist. Die erste Vorrichtung 30 weist
außerdem Wärmeausgänge auf, die durch die Pfeile 68, 70, 72
und 74 angedeutet sind. Durch die durch den Pfeil 68
angedeutete Wärmekopplung ist die erste Vorrichtung 30
wärmemäßig mit der Silier- bzw. Pelletiervorrichtung 10
gekoppelt. Die Bezugsziffer 76 soll einen externen
Wärmeverbraucher darstellen, bei dem es sich bspw. um eine
Gebäudeheizung o. dgl. handelt. Der Pfeil 70 soll die
Wärmekopplung zwischen dem externen Wärmeverbraucher 76 und der
ersten Vorrichtung 30 verdeutlichen. Entsprechend soll der
Pfeil 72 die Wärmekopplung zwischen der ersten Wärmevorrichtung
30 und der Speichereinrichtung 57 für den Wasserstoff
darstellen. Die Wasserstoffspeichereinrichtung 57 ist mit einer
zweiten Vorrichtung 78 verbunden, was durch den Pfeil 80
angedeutet ist. Durch die Verbindung (Pfeil 80) wird der
zweiten Vorrichtung 78 gespeicherter Wasserstoff zugeführt und
der in der zweiten Vorrichtung 78 verbrannt wird, wobei
elektrische Energie und/oder Wärmeenergie erzeugt wird. Die
zweite Vorrichtung 78 kann auch direkt mit der
Wasserstoffsammeleinrichtung 46 fluidisch verbunden sein, was
durch den Pfeil 82 angedeutet ist. Ein Lufteinlaß in die
zweite Vorrichtung 78 hinein ist durch den Pfeil 84
verdeutlicht. Die mittels der zweiten Vorrichtung 78 erzeugte
elektrische Energie wird in das öffentliche Stromnetz 40
eingespeist, was durch den Pfeil 86 angedeutet ist, oder sie
wird mindestens teilweise zur Stromversorgung der
Elektrolysezelle 34 verwendet, was durch den Pfeil 42
angedeutet ist. Ein Teil der in der zweiten Vorrichtung 78
erzeugten Wärmeenergie kann in die Brennstoffzelle 62
eingeleitet werden, was durch den Pfeil 88 angedeutet ist, um
den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 62 zu erhöhen. Die mittels
der Brennstoffzelle 62 erzeugte elektrische Energie wird in das
öffentliche Stromnetz 40 eingespeist, was durch den Pfeil 80
angedeutet ist, wobei mindestens ein Teil der elektrischen
Energie der Brennstoffzelle 62 wieder der Elektrolysezelle 34
(sh. Pfeil 42) zugeführt werden kann.
Der Pfeil 92 soll andeuten, daß die in der ersten Vorrichtung
30 erzeugte elektrische Energie mindestens teilweise auch in
das öffentliche Stromnetz 40 eingespeist werden kann. Der Pfeil
94 verdeutlicht eine Wärmekopplung zwischen der zweiten
Vorrichtung 78 und der Silier- bzw. Pelletiervorrichtung 10, so
daß es sowohl mit Hilfe der ersten Vorrichtung 30 als auch mit
Hilfe der zweiten Vorrichtung 78 möglich ist, die Biomasse
(Pfeil 14) zu trocknen.
Mit der Bezugsziffer 96 sind mit Wasserstoffmotoren betriebene
Fahrzeuge angedeutet, die aus der Wasserstoffsammeleinrichtung
46 mit Wasserstoff versorgt werden können, was durch die Pfeile
98 angedeutet ist. Durch den Pfeil 100 ist eine
Wärmekoppelleitung angedeutet, die zwischen der zweiten
Vorrichtung 78 und der Speichereinrichtung 57 für Wasserstoff
vorgesehen ist.
Insgesamt ergibt sich eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren, bei
welchem die innere Energie von Biomasse in Biogas und/oder in
Wärmeenergie und/oder in elektrische Energie umgewandelt und in
Form von Wasserstoff und/oder Sauerstoff gespeichert werden
kann, wobei die im Wasserstoff und im Sauerstoff vorhandene
innere Energie wiederum zur Erzeugung von elektrischer Energie
und/oder von Wärmeenergie und/oder Bewegungsenergie und der
Sauerstoff außerdem zur Verbesserung der Qualität des
Abwassers in einer Kläranlage verwendet werden kann.
Claims (11)
1. Verfahren zur Energieerzeugung aus Biomasse, die durch
Vergärung in Biogas umgewandelt wird, das Biogas
gegebenenfalls mit Erdgas gemischt, und das gegebenenfalls
mit Erdgas gemischte Biogas verbrannt und in einer ersten
Vorrichtung (30) in elektrische Energie und/oder in
Wärmeenergie umgewandelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in der ersten Vorrichtung (30) erzeugte
elektrische Energie mindestens teilweise zur Aufspaltung
von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird,
daß der erzeugte Wasserstoff gespeichert und/oder in einer
zweiten Vorrichtung (78) in Wärmeenergie und/oder
elektrische Energie umgewandelt und/oder zum Antrieb von
Fahrzeugen (96) verwendet wird, und daß der erzeugte
Sauerstoff gespeichert und/oder gemeinsam mit dem erzeugten
Wasserstoff in einer Brennstoffzelleneinrichtung (62) in
elektrische Energie umgewandelt und/oder zur biologischen
Reinigung von Wasser bzw. Kläranlagen-Abwasser verwendet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Biomasse zur Biogaserzeugung siliert und/oder
pelletiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bei der Verbrennung des gegebenenfalls mit Erdgas
gemischten Biogases erzeugte Wärmeenergie einem externen
Verbraucher (76) und/oder einem Speicher (57) für den
Wasserstoff und/oder der zweiten Vorrichtung (78) zur
Umwandlung des Wasserstoffs in Wärme- und/oder elektrische
Energie und/oder der Brennstoffzelle (62) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erzeugte elektrische Energie mindestens teilweise
in ein öffentliches Stromnetz (40) eingespeist wird.
5. Vorrichtung zur Energieerzeugung aus Biomasse, wobei eine
Biogaseinrichtung (12) zur Erzeugung von Biogas aus
Biomasse und eine mit der Biogaseinrichtung (12) verbundene
erste Vorrichtung (30) zum Verbrennen des Biogases und zur
Erzeugung von elektrischer Energie und/oder von
Wärmeenergie vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Elektrolysezelle (34) zur Aufspaltung von Wasser
in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist, die mit der
ersten Vorrichtung (30) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrolysezelle (34) mit einer Sammeleinrichtung
(44) für Sauerstoff und/oder mit einer Sammeleinrichtung
(46) für Wasserstoff verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Speicher (57) für den Wasserstoff ein
Eisentitanhydridspeicher ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sauerstoffsammeleinrichtung (44) und die
Wasserstoffsammeleinrichtung (46) mit einer zur
elektrischen Energieerzeugung vorgesehenen Brennstoffzelle
(62) verbunden sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzelle (62) mit einem öffentlichen
Stromnetz (40) und/oder mit der Elektrolysezelle (34)
elektrisch leitend verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wasserstoffsammeleinrichtung (46) mit einer
zweiten Vorrichtung (78) zur Erzeugung von Wärme und/oder
elektrischer Energie verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Vorrichtung (78) mittels einer
Wärmekoppelleitung (100) mit der Speichereinrichtung (57)
für Wasserstoff und/oder mittels einer Wärmekoppelleitung
(88) mit der Brennstoffzelle (62) verbunden ist.
Priority Applications (1)
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