EP2162526A1 - Biogasanlage mit feststoffvergärung und methanerzeugung im perkolatumlauftank - Google Patents

Biogasanlage mit feststoffvergärung und methanerzeugung im perkolatumlauftank

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Publication number
EP2162526A1
EP2162526A1 EP07856639.5A EP07856639A EP2162526A1 EP 2162526 A1 EP2162526 A1 EP 2162526A1 EP 07856639 A EP07856639 A EP 07856639A EP 2162526 A1 EP2162526 A1 EP 2162526A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
percolate
fermenter
biogas plant
biogas
fermentation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07856639.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Feldmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meissner Jan A
Original Assignee
Meissner Jan A
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=39154372&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP2162526(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Meissner Jan A filed Critical Meissner Jan A
Publication of EP2162526A1 publication Critical patent/EP2162526A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/16—Solid state fermenters, e.g. for koji production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/44—Multiple separable units; Modules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/02—Percolation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a biogas plant, in particular a biomass power plant and a method for biogas production by the Feststoffvergärungs vide.
  • the generic biogas plant is a biogas plant for the production of biogas by the solidification process with a plurality of fermenters of the garage type and at least one percolate circulation tank (PUT), which is connected to at least one associated fermenter for receiving percolate.
  • Percolate is a liquid that exits the digestate during dry fermentation. This percolate is collected at the bottom of a fermenter and passed into the at least one percolate tank. From this at least one Perkolatumlauftank the percolate is then passed back into the fermenter, there to soak the fermentation mass, because without water, the biochemical processes can not occur.
  • This object is achieved in that the at least one PUT is connected to the biogas system and has a volume which is at least 5%, preferably at least 7%, more preferably at least 10% and in particular at least 12% of the volume of that fermenter or that fermenter with which he is connected to receive percolate.
  • the biogas plant of the present invention is thus characterized by a relatively large PUT and further characterized in that the PUT is connected to the biogas system.
  • the PUT - if present at all - designed to be much smaller than in the invention. So far, the only function of the PUT is to collect percolate and provide enough percolate to spray the contents of the fermenter so that the pumps used to pump the percolate will not suck in air. The methane formation occurs almost exclusively in the (garage) fermenters.
  • the PUT is made substantially larger than in the prior art, and it is also connected to the biogas system.
  • the inventor has recognized that with a sufficient size of the PUT a very significant methane yield can be generated in the PUT and therefore the PUT is also connected to the biogas system.
  • the acetogenic and methanogenic bacteria which process the products of the hydrogenated and acidogenic bacteria (essentially various organic acids), preferentially settle, whereby methane is also and especially produced in the PUT.
  • the PUT acts in a sense as a "methane reactor". This local separation of the stages of fermentation is only a tendency, but of course also in the garage fermenter acetogenesis and methanogenesis take place.
  • the acetogenic and methanogenic bacteria find better living conditions in the PUT than in the fermenter.
  • the methanogenic bacteria in the fermenter suffer from "acid spikes", ie a transient, sharp drop in the pH which always occurs when new fresh mass is introduced into the fermenter.
  • the reason for these acid spikes in the Guresasseauffrischung is inter alia in the course taking place AutoHydrolyse, in the acids contained in the plant material or in the residual water of the plants are dissolved in water.
  • the problem here is in particular that the methanogenic bacterial strains usually have the longest reproduction times of all bacteria involved and tend to provide the methanogenic bacteria with long reproduction times higher methane yields than those with short reproduction times. This means that the particularly methane-yielding bacteria in the fermenter would prefer a relatively long fermentation cycle, but this is not optimal for the total yield of the biomass power plant, as explained in more detail below.
  • the methanogenic bacteria can settle and multiply in conditions that are more favorable to them, thus leading to a high methane yield in the PUT.
  • a plurality of PUTs are provided which are interconnected by a percolate line, in particular a percolate ring line.
  • the ratio of fermenters to PUTs is at least 3: 1, and more preferably at least 5: 1.
  • the Perkolatzufladore coming from different fermenters are mixed together before they are introduced into a PUT.
  • the at least one PUT is arranged in a PUT cycle, in which percolate, which runs through a drain from a fermenter, must pass through at least one PUT before it is reintroduced into a fermenter.
  • percolate which runs through a drain from a fermenter
  • the percolate is introduced less acidic in the fermenter or the fermenter.
  • the at least one PUT is preferably heatable in order to be able to produce the optimum conditions for the acetogenic and methanogenic bacteria in the PUT.
  • artificial settlement areas for methanogenic bacteria are installed in the at least one PUT.
  • Such settlement areas may be formed by one or more of the following: racks in which towel, carpet or drapery-type fabrics can be hung, basket-like structures or hollow balls of acid-proof plastic, in particular those filled with smaller objects, lamellar structures made of plastic, heaps of objects with large surfaces, in particular woodchips or straw, and / or nets or other containers with openings filled with woodcarvers.
  • means are preferably provided which prevent floating of these objects, so that the settlement areas for the methanogenic bacteria are always immersed in percolate. Through these settlement areas, an increased population of methanogenic bacteria can be obtained, which significantly increases the biogas yield in the PUT.
  • a channel structure is formed in the at least one PUT such that percolate, which enters the PUT at an entrance, is guided to its exit along a flow path whose length is at least three times, preferably at least six times, the largest dimension of the PUT.
  • the acetogenic and methanogenic bacteria degrade acid so that the pH of the percolate gradually increases.
  • Through the channel structure is achieved that results in a quasi-continuous flow of percolate along the channel, so that set along the channel on average different pH values of the percolate. Specifically, this means that the pH in a channel section near the entrance to the PUT will be lower than in a channel section located near the exit of the PUT.
  • the channel structure in the PUT is designed such that the biogas which is produced in the PUT, is led to its exit into the biogas system in the channel system above the flow path of the percolate.
  • the at least one PUT accesses, in particular gas-tight closable hatches, through which it is accessible to operating personnel.
  • the PUT may have a foil roof.
  • a solid roof for example made of concrete, may be provided.
  • the PUT is then connected to a compensating gas storage for biogas.
  • a device which is suitable for producing an oxygen content of from 0.2% to 2.5%, preferably from 0.5% to 1%, in the gas atmosphere of the PUT.
  • This oxygen content allows sulfur bacteria to settle in the airspace of the PUT that biologically bind the harmful sulfur compounds (eg H 2 S, COS, CS 2 ) produced during anaerobic bacterial digestion.
  • sulfur compounds in particular hydrogen sulfide, in biogas can lead to significant problems in the use of gas. For example, corrosion on the equipment and / or on the motors due to the formation of sulfuric acid or sulfuric acids.
  • Other problems that can arise from such sulfur compounds are the acidification of the engine oil and the inhibition of the fermentation process.
  • biogas is desulphurized before the injection of methane into the natural gas grid. Desulfurization of biogas is therefore extremely advantageous for material technology and microbiological reasons.
  • artificial settlement areas for sulfur bacteria are arranged in the at least one PUT. These settlements should be arranged so that the sulfur bacteria have contact with the medium to be purified, ie the biogas, access to the oxygen in the gas atmosphere of the PUT to oxidize the sulfur, access to water for the microbiological process and access to nutrients for your own growth.
  • the settlement areas for sulfur bacteria are therefore preferably arranged such that they are temporarily wetted by the percolate in the PUT within the expected fluctuation of the level of the percolate in the PUT and are temporarily exposed to the biogas.
  • settlement areas for sulfur bacteria can be located above the percolate level in the PUT and sprayed with percolate.
  • artificial settlement areas for sulfur bacteria can also be installed in the garage fermenters as described above.
  • the biogas produced in the garage fermenter should have access to oxygen in the garage atmosphere of the garage fermenter, access to water and access to nutrients, should the additional settlement areas between the percolation nozzles and the digestate be installed.
  • This can e.g. in such a way that open containers (such as nets) filled with woodchips or other material with large surfaces are hung on the fermenter cover or placed on the fermentation mass in mat form.
  • open containers such as nets
  • the surface of the man-made settlement area is not destroyed every time a fermentation takes place, but is retained for the next fermentation cycle, which means that the population of sulfur bacteria does not have to rebuild itself over and over again Size is present from the beginning. As a result, the desulfurization performance increases again.
  • the biogas plant comprises a press, which is suitable, already angegorene fermented mass, which is retrieved in the course of a Gärmassenauffrischung from the fermenter and used as seed for the fresh mass, squeeze so that the liquid phase passed into at least one PUT and the solid phase can be mixed with the fresh mass.
  • a press which is suitable, already angegorene fermented mass, which is retrieved in the course of a Gärmassenauffrischung from the fermenter and used as seed for the fresh mass, squeeze so that the liquid phase passed into at least one PUT and the solid phase can be mixed with the fresh mass.
  • At least one outlet is provided in the bottom of the PUT, through which percolate can be discharged from the PUT, wherein the diameter of the outlet is so large that dry substance, which has settled as a silt at the bottom of the PUT, during deflation of the Percolate is flushed through the at least one outlet.
  • pipes with nozzle-like outlets can be installed around the bottom in the PUT, which stir up the silt before it is flushed away through the outlets. This reduces the effort involved in manual cleaning of the PUT or can even be completely eliminated.
  • the flow rate of the percolate along the above-mentioned flow path in the PUT is on average less than 4 cm per second, and more preferably less than 2.5 cm per second.
  • a suitable flow rate can be achieved by matching the channel structure to the percolate volume.
  • the particular advantage of the limited flow rate of the percolate is that shear forces in the percolate can be avoided, which could rupture flakes of acetogenic and methanogenic bacteria. Close proximity between the acetogenic bacteria that produce hydrogen and the methanogenic bacteria that consume hydrogen is important to the process so that they can efficiently exchange the hydrogen. Therefore, it is advantageous if the flakes of acetogenic and methanogenic bacteria are retained in the PUT.
  • the percolate persists on average four to twelve hours, preferably an average of five to seven hours in the PUT.
  • This dwelling Times in the PUT are advantageous both with regard to the methane yield in the PUT and with regard to the fermentation process in the fermenter.
  • the digestate in the fermenter is so far enriched with loose material, such as straw, that increases the ability of the digestate, percolate, increased to a capacity of at least 0.75 m 3 percolate per 1 m 2 fermenter base and day.
  • loose material such as straw
  • This temperature range provides for knowledge of the inventor, an ideal compromise between the preferred temperatures of the acetogenic and methanogenic bacteria (between 32 0 C and 42 ° C) and the preferred temperatures of the acidogenic bacteria in the fermenter is (between 25 ° C and 35 ° C), in which the percolate flows back. Overall, the best biogas yields are expected in this temperature range.
  • fermentation liquor replenishment takes place every 28 days in solid fermentation processes in garage fermenters.
  • This is the fermentation cycle time recommended, for example, by "Bio-Ferm", a solid-state fermentation equipment manufacturer, however, the inventor has recognized that plant performance can be significantly increased if the fermentation cycles significantly over the 28-day standard in the prior art
  • the inventor has carried out simulations of the gas yield as a function of the fermentation cycle times and related these to the used digestate, whereby the inventor has recognized that the capacity of the biogas plant can be drastically increased if the digestate per fermenter is changed every six to six months
  • the shortening of the fermentation cycle increases the average volume load of the fermenter of the biogas plant with fresh organic matter (volume load) .
  • the biogas plant ie the one provided by the fermenters
  • Vol the fermentation cycle time at the same power can be about 50% smaller than is the case with conventional biogas plants of the solid-state fermentation type, which drastically reduces the investment costs.
  • the number of fermenters in the biogas plant is between 12 and 24, more preferably between 16 and 20, and there are two daily Gährassenunterfrischitch made in the entire biogas plant.
  • the same day-to-day work for the refreshment of the fermentation gas, which must be carried out by the operating staff of the biogas plant, is carried out on a daily basis, so that the optimum fermentation cycle can also be practically realized.
  • the fresh mass is heated prior to introduction into the fermenter.
  • the fresh mass is subjected to a weakly aerobic prehydrolysis prior to introduction into the fermenter.
  • a weakly aerobic prehydrolysis prior to introduction into the fermenter.
  • the refreshment of the fermentation mass comprises the following steps: removing the fermentation mass from the fermenter, replacing a part of the fermentation mass with fresh mass, and
  • the fresh mass fraction is preferably 22% to 69% of the fermentation mass newly introduced into the fermenter.
  • This particularly advantageous method of restoring the odoriferous substance is suitable in turn, especially in the context of the relatively large PUTs and their function as a methane reactor.
  • the biogas plant comprises a device for the chemical, mechanical and / or thermal digestion of ligninous and / or fibrous renewable raw materials, in particular of straw.
  • straw is generally a residue which, for example, is produced in cereal production anyway and is therefore available in sufficient quantities. While most so-called energy crops grown specifically for power generation compete for limited agricultural land with crops for food and feed production, straw as a fermentation substrate is one of the few exceptions to this competition for available arable land.
  • the lignin which is indigestible for the bacteria involved in fermentation, blocks the bacteria from reaching the cellu- lose and therefore causes the fermentation process and thus the biogas production to progress only very slowly. For this reason, straw currently plays no role as a substrate in biogas production, but rather is considered useless.
  • the device for mechanical digestion comprises a device for cutting, chopping and / or grinding lignin and / or fibrous raw materials, in particular a hammer mill or straw mill.
  • the device for the digestion of lignin- and / or fibrous renewable raw materials, in particular straw comprises a device for saturated steam treatment.
  • a device for saturated steam treatment preferably comprises a pressure vessel and means adapted to generate a water vapor in the pressure vessel, with a pressure which is between 20 and 30 bar, and a temperature which is between 180 ° C and 250 ° C. Saturated steam treatment takes place at the pressures and temperatures described and typically lasts for 5 to 15 minutes. The function of the saturated steam treatment will be described using the example of wheat straw.
  • Wheat straw consists of about 40% cellulose, 23% arabinoxylan (hemicellulose) and 21% lignin, with all three major components forming a densely packed structure.
  • the main obstacle to the biochemical utilization of cellulose and hemicellulose is lignin, which is indigestible to microorganisms and blocks the bacteria from accessing cellulose and hemicellulose.
  • the ligininstructures are softened or melted, but essentially not released from the stalks during the relatively short treatment time. After the saturated steam treatment, the lignin solidifies again.
  • the lignin is thus changed primarily in its microscopic structure, but it is not dissolved out of the straws.
  • the structure of the straws remains as such. This represents a difference to the thermal pressure hydrolysis, which under fundamentally similar conditions, However, it is carried out for longer periods, and in which a real hydrolysis takes place, that is, a dissolution of previously solid or dry substances in water.
  • Thermal pressure hydrolysis dissolves the structure of the straw and results in a syrupy suspension.
  • the device for the digestion of ligninous and / or fibrous renewable raw materials comprises a container for soaking the same before the saturated steam treatment, for example in water.
  • the saturated steam treatment for example in water.
  • grinding can be carried out, for example, in a hammer mill.
  • This form of disruption mechanically destroys the lignin structures.
  • the degree of grinding therefore preferably corresponds to at least one sieve hole size of 8 mm, particularly preferably 1 mm.
  • the proportion of straw that can be ground for mechanical digestion depends on the degree of grinding. With a fine grinding degree, corresponding to a sieve hole size of 1 mm, it does not make sense to grind all the straw, because otherwise a dough-like pulp would form, which sticks to the fermentation mass and prevents percolation.
  • the straw may be cut and / or chopped to a particle length of less than 5 cm, preferably less than 2 cm. For example, this can be done at harvest time, because with modern balers straw bales can be pressed out of stalks, which are only about 4 cm long.
  • the straw can also be digested in a bale shape, which in particular substantially facilitates its transport and handling, as explained in more detail below. Since the structure is preserved, for example, of straw taps under the saturated steam treatment, even straw bales retain their shape under the saturated steam treatment and can be transported easily and efficiently after this.
  • a particular advantage of bales is furthermore that they can be layered at the bottom in a garage fermenter, which can increase the filling level of the fermenter. In principle, the filling level of the fermenter is limited by the fact that, starting at a certain height of the substrate in the fermenter, the pressure at its bottom becomes so high that the substrate becomes too compacted to allow percolate to seep through.
  • straw bale layers which are introduced into a fermenter at the bottom, are far more pressure-stable than conventional fermentation substrates. Even under the load of the overgrown digestate, the straw bale layer is still permeable to percolate, so that the usual filling level in the fermenter can still be filled up on the straw bale layer.
  • the fermenters can therefore be constructed higher than usual by the height of the straw bale position, which reduces proportionate fermenter-specific technology costs (gate, gas technology, sensors, flaps and openings, percolate nozzles, drains, piping, etc.) and the efficiency of the biogas plant as a whole elevated.
  • the straw bales are dissolved after being layered in the fermentor by removing the yarn with which they are held together.
  • the biogas plant comprises a device for dehydrating and pelleting fermentation residues, which is suitable for processing fermentation residues into fuel pellets and / or fuel briquettes.
  • the processing of fermentation residues into fuel pellets is in turn particularly attractive when ligninous and / or fibrous renewable raw materials, in particular straw, are used as the fermentation substrate.
  • the lignin contained in the digestate has the advantage that it melts during pelleting, solidifies again when cooling the pellets and thus leads to relatively solid pellets or briquettes, which are a valuable fuel.
  • the biogas plant and the device for producing fuel pellets can be structurally combined or spatially separated from one another.
  • the biogas plant preferably comprises a device for washing out or eluting the fermentation residues.
  • a device for washing out or eluting the fermentation residues By washing and elution harmful substances such as chlorine, potassium, sulfur and nitrogen from the digestate are washed out. This leads to an improved quality of the fuel pellets or briquettes, so that these, optionally with further conditioning, can obtain regular fuel quality.
  • the device for leaching is formed by a thermophil-operated digestate bunker, which is described in more detail below.
  • the dry matter of the fresh mass is straw, and more preferably at least 75% by weight. It may be pure straw or straw, which is contained in solid manure, whose dry matter is about 75% also made of straw.
  • 30 to 90% by weight of the dry substance of the fresh mass consist of pure straw, 10 to 70% by weight of solid manure, and 0 to 30% by weight of other substrates. This ensures that the fermentation residue pellets consist predominantly of straw, are easy to produce due to the relatively high lignin content and are well suited for firing.
  • the urea in the solid manure already leads to a very significant chemical digestion of the straw when it is mixed with the solid manure.
  • the device for dehydrating and pelleting the digestate preferably comprises a device for mechanically dehydrating it, in particular a screw press or a decanter.
  • a screw press With such a screw press, it is possible to reduce the water content of the fermentation residues to, for example, 45% to 55%.
  • the after treatment with In particular, the remaining water content of the screw press is low enough that it can be dried to a sufficient degree of dryness using pelletizing using the waste heat of the existing gas engines.
  • Another advantage of the mechanical dehydration is that the water is dissolved out of the digestate with dissolved therein for combustion harmful substances such as chlorine, nitrogen, sulfur, potassium chloride and / or silicates. If the fermentation residues were only dehydrated by thermal drying, a much greater proportion of these harmful substances would remain in the fermentation residues.
  • the means for dehydrating and pelletizing further comprises a drying device, which is preferably a convective belt dryer.
  • the drying device is preferably operated with waste heat from at least one gas engine of the biogas plant.
  • the belt dryer is a low temperature belt dryer whose temperature does not exceed 180 ° C, preferably 140 ° C. Due to the low temperature, no dioxins and furans are produced during drying. With such a belt dryer, the water content of the digestate can be reduced to, for example, 7 to 13%.
  • the drying device can be formed by a drum dryer with contact drying, which can also operate at temperatures not exceeding 180 ° C, preferably 140 ° C.
  • the device for dehydrating and pelleting preferably comprises a device for comminuting the at least mechanically pressed and optionally already dried fermentation residues.
  • this device is formed by a hammer mill or a straw mill.
  • the dehydrating and pelletizing device further comprises a conditioning device suitable for adding one or more of the following to the shredded and at least partially dehydrated and / or dried fermentation residues: cereal flour, molasses, starch, quicklime, steam, wood chips and / or sawdust.
  • cereal flour, molasses, starch, quicklime, steam, wood chips and / or sawdust The addition of cereal flour and / or molasses and / or starch increases the strength of the fermentation residue pellets. By steaming the mass to be pelleted, it becomes supple and can be pelleted better. An addition of quicklime improves the ash softening behavior of the pellets when they are burned.
  • the burning properties of the pellets are further improved, in particular especially with regard to burning behavior, ash formation and emissions, so that the pellets can even be used in domestic pellet heating systems.
  • a nitrogen-binding agent in particular a nitrogen reducing reducing agent, hydrated lime, oil press cake, such as those resulting from the production of rapeseed or pumpkin seed oil, calcium, magnesium and / or aluminum are added.
  • the oil press cakes increase the calorific value of the pellets, calcium, magnesium and aluminum can improve the burning behavior.
  • the device for dehydrating and pelleting preferably comprises a pelleting press which is suitable for pressing the comminuted and dehydrated fermentation mass into pellets or briquettes.
  • At least some of the said components of the dehydrating and pelleting device are connected by mechanical and / or pneumatic conveying systems.
  • An important development of the invention consists in the way in which the additional process step of digestion of ligninous and / or fibrous renewable raw materials and / or the dehydration and pelleting of digestate residues are integrated into the operation of the biogas plant.
  • the device for pelleting and the device for digesting straw are economically worthwhile, especially if the throughput of the plant or the biomass power plant is high.
  • biomass power plants for solid fermentation are usually very small as agricultural plants. They have two to six smaller fermenters and achieve an effective electrical output of only 100 to 700 kW.
  • the supply of fermentation substrate can be ensured for much larger systems, since, for example, straw accumulates in far greater quantities crops , as it is currently needed, and as it can be transported relatively economically with appropriate (large) technology even over longer distances.
  • the greater the throughput of the biogas plant the more worth the investment and operating costs for a device for dehydrating and pelleting of digestate and for means for breaking up the straw.
  • a further object is to integrate the fermentation residue pelleting described above and / or the above-described digestion of lignin-containing and / or fibrous renewable raw materials into the operating sequence of the biogas plant.
  • the device for chemical, mechanical and / or thermal digestion of lignin- and / or fibrous renewable raw materials is housed in a delivery and loading area of the biogas plant.
  • the delivery and loading area preferably comprises stationary conveyor technology, which is suitable for demanding fresh material from the delivery and loading area to a fermenter forecourt, from which a plurality of fermenters of the garage type is accessible. While in conventional biogas plants with garage fermenters, the fresh mass and the digestate are transported completely with a wheel loader, according to this further development stationary provided by the technology, through which even large quantities of fresh mass can be efficiently transported to Fermenter forecourt to be introduced from there into the fermenter.
  • Such a stationary conveyor technology also allows the entire biogas plant to be built in, thereby avoiding an unpleasant odor in the environment and making it possible to build and operate the biogas plant also in the vicinity of residential areas and in industrial areas.
  • the delivery and loading area is effectively an interface between the enclosed interior of the plant and the outside area, and is thus arranged in an outer section of the plant.
  • the fermenter forecourt is centrally located in the plant for logistical reasons. Due to the stationary conveyor technology, the fresh mass or the fermentation substrate can be brought from the delivery and loading area to the fermenter forecourt, without the need for transport vehicles that would generate exhaust gas within the housing area and would also increase the operating costs. Preferably, there is a slight underpressure in the delivery and loading area, so that even when delivering fresh mass and loading of digestate, only little air escapes to the outside, and thus the odor nuisance is minimal.
  • first conveying means are preferably provided, which are suitable for conveying fresh material from the at least one delivery bunker for fresh mass to a fresh-material bunker.
  • These first conveying means may comprise, for example, screw conveyors, elevators and conveyor belts, on which the fresh mass from different delivery bunkers are conveyed to the fresh-material bunker.
  • the delivery and loading area preferably comprises second conveying means, in particular a thrust shield, which are suitable, the fresh mass through the Frischmasse bunker through in the direction of the fermenter forecourt.
  • the fresh-material bunker has a dual function: on the one hand it serves as a transport route from the delivery area to the fermenter forecourt, on the other hand it serves as a buffer for fresh mass. It is important that the fresh mass, which was first introduced into the fresh bunker, leaves this first. This means that the fresh mass that is delivered to the fermenter forecourt is always about the same age and pre-hydrolyzed. This results in a substrate consistency, which is advantageous for the subsequent fermentation.
  • the delivery and loading area comprises in an advantageous development of a discharge point for straw, and in particular straw in bale shape.
  • a crane is preferably provided which is suitable for efficiently gripping and transporting bale material.
  • a device for chemical, mechanical and / or thermal digestion of straw is provided, which is of one of the types described above.
  • the means for digestion as described above may be formed so that the bale shape is maintained so that the pulp pretreated by digestion can be transported in bale form from the delivery and loading area to the fermenter forecourt, which greatly facilitates transport and introduction into the fermenters efficient.
  • third conveying means in particular roller conveyors or push conveyors, are provided, which are suitable for conveying individual bales or packages of bales along a bale duct to the fermenter forecourt.
  • bale material is very efficiently transported from the periphery to the fermentor forecourt by the third conveyor and bale channel, allowing high throughput with very low operating costs.
  • a converter is arranged at the fermenter front near the end of the bale channel, which is suitable to remove packages of bales from the bale channel and handed over to a wheel loader or forklift as a package.
  • suitable packages of bales for example packages of eight bales, have already been handed over to the wheel loader or forklift truck, which can then be unloaded as they are in the fermenter.
  • the delivery bunker, the fresh bunker and / or the bale duct are heatable, and advantageously by means of waste heat, which is generated by one or more gas engines.
  • waste heat which is generated by one or more gas engines.
  • the fresh mass temperature losses are compensated, which arise during the Gärmassenauffrischung the waste material. This will accelerate the reintroduction of biogas production after the refreshment of the digestate.
  • this makes the above-described weakly aerobic prehydrolysis possible, which shortens the time until complete fermentation of the fermentation mass and increases the plant output (the substrate throughput) and thus the economic efficiency.
  • a digestate bunker which is accessible from the fermenter forecourt for introducing fermentation residues.
  • the digestate bunker preferably contains stationary conveying means which are suitable for transporting fermentation residues through the digestate bunker.
  • stationary conveying means are formed by screw conveyors, which are arranged at the ends of the digestate bunker.
  • the digestate bunker is preferably sized to handle the expected amount of digestate of at least two days.
  • the digestate bunker has a fourfold function. First, it serves as a buffer for fermentation residues, and second, it provides the fermentation residue transport device from the central fermentor forecourt to the periphery.
  • the sufficient size of the digestate bunker ensures that the fermentation residues can be stored for at least two days, so that they do not have to be removed on weekends.
  • post-fermentation takes place in the digestate bunker and therefore it is connected to the biogas system. Thus, from the digestate further biogas is obtained, which would be lost in a simpler design.
  • the digestate bunker forms a device for washing out the digestate.
  • a Schütttrog for fermentation residues is preferably arranged.
  • the digestate can thus be poured directly from the fermenter forecourt into the Schütttrog; they then automatically flow to the periphery by removal at the other end, where they are dehydrated and processed into pellets.
  • the straw is already mixed with other fresh material, preferably with solid manure, days before it is introduced into the fermenter.
  • the urea present in the solid manure can in turn dissolve the lignin and make the cellulose and arabinoxylan accessible for hydrolysis. It is important that additionally or separately provided straw is chemically digested by the urea contained in the solid manure.
  • the mixing of the loose straw with the solid manure would typically take place with a greater time interval before the introduction into the fermenter, preferably a few days.
  • layers of solid manure and layers of straw can be set up alternately in the fermenter without a time advance, it also being possible for layers of other, not highly lignified, raw materials to be present therebetween.
  • the urea of the upper solid manure layer with the percolate can penetrate into the layer containing the lignin-containing straw and at least partially dissolve the two-dimensional lignin structures.
  • the acid percolate ensures that the planar lignin structures at least partially dissolve and the material biogas supplies, although not with the yield that can be achieved by the other methods described above for the digestion, in particular the saturated steam treatment and / or grinding ,
  • the inoculation material which comes together with the fresh mass back into the fermenter, by mixing by means of a mechanical press, such as a screw press, Maschinenwalst and squeezed, whereby the material is at least partially mechanically digested and also possibly integrated nutrients for the anaerobic , Bacterial fermentation be made available.
  • the screw press can be designed to be mobile, for example, be arranged on a low-loader, so that it can be driven on the fermenter forecourt to the relevant fermenter.
  • a concentration of pollutants in the percolate is prevented by a part of the circulating percolate is discharged from the percolate cycle. This is preferably done regularly.
  • the discharge of a portion of the percolate preferably takes place via the percolate ring line, the part of the percolate being discharged into the fermentation residue bunker and / or into a tank from which the percolate is subsequently disposed of.
  • Fig. 1 is an elevational view of a biomass power plant according to a development of the invention of
  • FIG. 3 is an elevational view of the biomass power plant of FIG. 1 viewed from the south;
  • FIG. 4 is an elevational view of the biomass power plant of FIG. 1 viewed from the east;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view Fig. 6 is a plan view of the ground floor of the biomass power plant of Fig. 1,
  • Fig. 7 is an enlarged detail of the plan view of Fig. 6, a power and
  • Fig. 8 shows an enlarged detail of the plan view of Fig. 6, the one
  • FIG. 9 is a plan view of the upper floor of the biomass power plant of FIG. 1;
  • FIG. 10 is a cross-section through a garage fermenter of the biomass power plant of FIGS. 1 to 9;
  • FIG. 11 is a schematic representation of a channel structure formed within a PUT.
  • 12 is a schematic perspective view of a PUT with packing for the settlement of methanogenic and acetogenic bacteria
  • 13 shows a schematic cross-sectional representation of a PUT with settlement structures for methanogenic and acetogenic bacteria and with settling structures for sulfur bacteria
  • FIG. 14 shows a further schematic cross-sectional view of a PUT with settlement structures for methanogenic and acetogenic bacteria and with settling structures for sulfur bacteria
  • Fig. 16 is a schematic representation of the fermenter forecourt and the fermenter of
  • 17 is a block diagram of essential components of a device for dehydrating and pelleting digestate.
  • a biomass power plant (BMKW) 10 as an embodiment of a biogas plant according to a development of the invention will be described in detail.
  • 1 to 4 show four exterior views of the BMKW 10 and Fig. 5 is a cross section of the same.
  • Fig. 6 the floor plan of the ground floor of the BMKW 10 is shown.
  • Fig. 7 shows an enlarged partial area of the plan of Fig. 10, in which a power and heat generating plant of the BMKW is shown.
  • Fig. 8 shows another partial section of the plan of Fig. 6, in which a delivery and loading area is shown enlarged.
  • 9 shows a plan view of the upper floor of the BMKW 10.
  • the BMKW 10 is divided into a base section 12 and an expansion section 14.
  • the base section 12 comprises 18 garage-type fermenters arranged in two rows, in a view of Fig. 5 in a northern and a southern row. Between the two rows of fermenters 16 is a Fermentervorplatz 18, to which the gates 20 of the fermenter 16 open. It should be noted that for the sake of clarity, not all fermenter 16 and fermenter ports 20 are provided with reference numerals in the figures.
  • the base portion 12 comprises a power and heat generating system 22, which is shown enlarged in Fig. 7 and described in more detail below. It also includes the base section 12 a delivery and loading area 24, which is shown enlarged in Fig. 8 and also described in more detail below.
  • the entire base section 12 is enclosed by a hall structure to which, in particular, a fermenter forecourt (FVP) -Hallenabites 26 and a delivery and Verlade Schllade Suiteshallenabites 28 belongs, as in particular in Fig. 1, 4 and 5 is clearly visible.
  • the entire hall construction or enclosure of the base section 12 is vented through a large central ventilation system, so that there is always a slight negative pressure relative to the atmospheric pressure inside the hall construction.
  • the expansion section 14 essentially consists of 11 additional fermenters 16 'and an extension of the FVP hall section 26.
  • the expansion section 14 serves to provide, if necessary, up to 11 additional fermenters 16'.
  • the BMKW 10 has a modular design that is advantageous for achieving an optimal end configuration because the exact biogas yield depends on a variety of factors, including the nature and availability of the fresh mass, and is not theoretically accurately predictable.
  • the northern and southern fermenter rows are connected by a technology bridge 30, which can be seen in particular in FIGS. 5, 6 and 9.
  • the engineering bridge 30 straddles the FVP 18 at a height that allows wheel loaders, two of which are exemplarily shown in FIG. 5, to pass beneath it even with the bucket fully extended without it being able to contact and damage the engineering bridge.
  • the upper floor of the BMKW 10 comprises three film gas storages 32 in the base section 12 and two further film gas storages 32 'in the dismounting section 14.
  • the film gas storages 32 are good in the cross-sectional views of FIGS. 5 and 15 to recognize. They take on the manner described in more detail below the biogas, which is generated in the fermenters 16 and 16 '.
  • the upper floor comprises five percolate circulation tanks (PUT) 34 in the base section 12 and four PUTs 34 'in the expansion section 14, which are also clearly visible in the cross-sectional views of FIG.
  • PUT 34 is located above each of three fermenters 16 and receives percolate from them, which is collected at the bottom of the fermenters and pumped into the PUT 34.
  • percolate refers to the liquid, manure-like component of the fermentation substance.
  • a southern engineering room 36 and a northern engineering room 38 which are interconnected by the technology bridge 30.
  • the FVP hall section 26 and in the delivery and loading area Hall section 28 further light bands 40 are arranged.
  • the Fermentervorplatz (FVP) 18 is located in the center of the BMKW 10. It serves as a transport route for fresh mass to the respective fermenters 16, 16 'or of digestate substance from the fermenters 16, 16'. It also serves as a mixing surface on which the content of a fermenter is spread, from which about one-fifth to one-third is taken as digestate and compensated for this withdrawal and resulting from the gasification loss of mass about one-third supplemented by fresh mass and the old fermented mass is mixed.
  • This work can be performed on the FVP 18 by a large wheel loader, as shown schematically in FIG.
  • the gutter has a collecting shaft (not shown) from which the resulting liquids via a percolate loop (not shown) to one of the PUTs 34 are required.
  • the delivery and loading area 24 is shown in Fig. 8 enlarged in plan.
  • four delivery bunkers 42 are provided in the embodiment shown, which are housed by the delivery and loading area Hall section 28.
  • a truck can maneuver backwards into the hauled-in delivery bunker and tip or dump the fresh bulk cargo into the delivery bunker 42 there. Since there is a slight underpressure throughout the delivery and loading area 24, hardly any unpleasant odors leave the enclosure to the outside.
  • Each delivery bunker 42 has a downwardly tapered bottom, at the lowest point of which one or more twin flights (not shown) are provided, which requests the fresh meal horizontally to a bucket elevator (not shown) which carries the virgin mass onto a conveyor 44 , or directly to a lower conveyor belt.
  • the fresh mass is dropped into a Frischmassebunker 46. Since the fresh mass is conveyed from four or more different bunkers on the same conveyor belt 44 and thrown onto the same heap in the fresh mass bunker 46, the fresh mass is automatically mixed.
  • the Frischmassebunker 46 is an elongated chamber that connects the delivery and loading area 24 with the Fermentervorplatz 18, as can be seen in particular in Fig. 6.
  • the Frischmassebunker 46 has a floor and / or wall heating, with the fresh mass is already heated to a temperature of 42 0 C, so that the digestate within a fermenter 16, 16 ', which is supplemented by the fresh mass, is not cooled by this so that the fermentation process after closing the fermenter 16 starts again quickly and possibly even a weakly aerobic prehydrolysis can take place, which shortens the fermentation time and increases the system performance (throughput of fermentation substrate) and the efficiency of the system.
  • the fresh mass bunker 46 has a triple function. First, it serves as an intermediate or buffer for loose fresh mass.
  • the delivery and loading area 24 comprises a section for the delivery and transport of structural or bale material, in particular for straw.
  • This section for delivering and transporting bale material comprises a preparation space 48, a bale delivery space 50, a digestion area 52 and an intermediate storage 54.
  • this area of the delivery and loading area 24 will be described with reference to straw as a highly lignified, bale-shaped structural material. but it is understood that this section can also be used for delivery, processing and onward transport of other bale-shaped structural material.
  • a crane (not shown) is mounted on rails so that it can pick up and drop straw bales in each of the spaces 48-54.
  • the straw bales are delivered to the straw delivery room 50 and efficiently transported by the crane (not shown) to the intermediate storage 54.
  • the digestion region 52 Before the straw is conveyed to the fermenter forecourt 18, it is pretreated in the digestion region 52, namely digested.
  • the digestion of the straw is necessary because the straw is highly lignified, and the bacteria in the fermenter 16 due to the lignin-crusted cellulose very poorly get to the lignin trapped nutrients.
  • the straw can be digested in different ways in the digestion region 52.
  • the straw can be be mixed by being soaked in a container containing water, a water-alkali solution or a water-acid solution.
  • the soaking causes the lignin, which has largely enclosed the cellulose, to be partially dissolved.
  • the cellulose is no longer hidden behind a lignin crust, but accessible to the hydrolysis and the bacteria.
  • the straw which is used in conventional dry fermentation plants at most as a structural material, to a valuable fermentation substrate, which contributes significantly to the biogas development.
  • the straw in the digestion region 52 may be otherwise disrupted, for example, mechanically using a hammer mill or straw mill, or by being subjected to thermal pressure, i. heated to 180 ° C to 250 ° C for five to ten minutes at high pressure, for example, 20 to 30 bar.
  • thermal pressure i. heated to 180 ° C to 250 ° C for five to ten minutes at high pressure, for example, 20 to 30 bar.
  • the lignin solidifies again, but in the form of very small globules with gaps between them, which open the way for the autohydrolytic, organic acids and for the anaerobic bacteria to the nutrients of the straw.
  • Another embodiment is an extension of the thermal printing treatment in which the pressure in the corresponding container is suddenly reduced, whereby the water evaporates in the straw structures and expands very rapidly.
  • the lignin structures are torn and the nutrients for the anaerobic bacteria are exposed.
  • a roller conveyor 56 onto which individual bales of straw and / or straw bales are laid by the crane (not shown) and which conveys the straw bales to the fermentor forecourt 18 through a straw channel 58 arranged parallel to the fresh meal hopper 46 (see FIG Fig. 6).
  • both the loose fresh mass and the fresh bale mass are transported by stationary conveyor technology from the delivery and loading area 24 to the fermenter forecourt 18.
  • stationary conveyor technology makes the Frischmassebunker 46 and the straw channel 58, the connection between the central Fermentervorplatz 18 and the peripheral delivery and loading area 24 ready, and this transport is done completely in the housed BMKW 10.
  • the transport with the stationary conveyor technology is suitable for high throughputs and in particular faster, space-saving and cost-effective less expensive than a delivery with wheel loaders.
  • the straw channel 58 and the fresh-material bunker 46 terminate at a central location of the fermenter forerunner 18, so that the paths between the fermenter-front-side end of the fresh-material bunker 46 or straw channel 58 and the fermenter 16 to be supplied in FIG general are short.
  • the digestion of the straw in the digestion region 52 makes it possible to use straw as a fermentation substrate despite its high lignin content. This is extremely advantageous because straw in crop production anyway incurred, and not enough use for this exists.
  • the BMKW 10 is designed for renewable raw materials, it makes sense to grow in the vicinity of the BMKW 10 specifically for use in the BMKW 10 suitable raw materials, which, however, are generally not intended for nutrition or as feed. However, this poses a certain conflict of objectives because a certain proportion of the limited land available is always reserved for food production.
  • the use of straw as a fermentation substrate is a very attractive solution, since straw, which is produced as residue during grain production, allows the simultaneous production of food and biomass suitable for use with power plants. In addition, it is possible to produce valuable fuel pellets from straw-containing fermentation residues, as explained in more detail below.
  • straw has another advantage.
  • the filling level in fermenters is limited by the pressure at the bottom of the fermenter: this pressure must always be low enough for the fermentation substrate to still be permeable to percolate.
  • the entire usual filling level can be layered on this layer of fermentation substance, since the straw bale layer even at the pressure then permeable to Percolate is.
  • This lowermost straw layer thus represents an additional amount of fermentation substrate that can be used in a fermenter, so that the system performance (room capacity measured in new substrate per fermenter and day) is significantly increased.
  • the straw bales are placed in packages of eight straw bales on the roller conveyor 56, which are two bales wide and four bales high. These packages are transported as a whole through the straw channel 58 and at the End of Fermentervo ⁇ latz 18 by a converter (not shown) lifted and handed over to a wheel loader or forklift, which also receives the packages as a whole or in 2 parts and brings to the fermenter. From these packages can be relatively easily and quickly built said bottom straw bale layer.
  • a digestate bunker 60 is provided which extends parallel to the fresh meal bunker between the fermentor forecourt 18 and the delivery and loading area 24.
  • the digestate bunker 60 has at its Fermentervorplatz the end facing a Schütttrog 62 for digestate, which forms the entrance into the Gärrestebunker 60.
  • this Schütttrog 62 fermentation residues are tilted by a wheel loader. From there they are pressed by means of a screw conveyor into the digestate bunker 60. Due to the discontinuous reprints of more and more fermentation residues, the mass is slowly transported through the digestate bin 60 to the other end, where they are transported by further screw conveyors from the digestate bunker 60.
  • the digestate bunker 60 has a fourfold function. On the one hand, it serves as a transport path between the fermenter forecourt 18 in the center of the BMKW 10 and the delivery and loading area, with similar advantages, as they have been described with respect to the Frischmassebunker 46 and the straw channel 58. On the other hand, the digestate bunker 60 also serves as a thermophilically operated secondary fermenter and acts more or less like another fermenter. Therefore, the digestate bunker 60 is also connected to the biogas system. Third, the digestate bunker 60 serves as a buffer for fermentation residues. It is dimensioned so that it holds at least as many fermentation residues as can be produced on two days. As a fourth function, the digestate bunker forms a device for washing out the digestate. Due to the high water content in the digestate bunker harmful substances such as chlorine, nitrogen, sulfur, potassium chloride and silicates are washed out of the fermentation residues, which increases the quality of the fermentation residue pellets as fuel.
  • the digestate bin is followed by a conveyor belt 66, with which fermentation residues are first conveyed to a screw press 70 and then to a dehydrating and pelletizing device 64, which will be described separately below.
  • a screw press 70 With the screw press 70, a significant portion of the water is squeezed out of the digestate. Together with the water, a significant part of the above-mentioned substances harmful to combustion are removed from the fermentation squeezed out. This represents a significant advantage over a process in which the fermentation residues would only be thermally dried, because in that case substantially more of the harmful substances would remain in the fermentation residues.
  • the squeezed liquid phase is returned as process water in the fermentation residue bunker 60.
  • a fermenter 16 is shown in cross section.
  • the fermenter 16 is a conventional garage fermenter except that its ceiling height is higher than usual to accommodate the additional bale of straw on the ground.
  • the fermenter 16 is separated by a gate 20 from the fermenter forecourt 18.
  • the fermentation mass in fermenter 16 is designated by reference numeral 72.
  • the fermenter 16 has percolate downcomers 74 on the bottom and a manifold 76 in which the percolate from all the gutters 74 is collected.
  • the collecting channel 76 opens into a siphon shaft 78, from which the collected percolate is lifted by means of a lifting pump 80 and pumped into the percolate circulation tank 34.
  • a percolate pump 82 pumps the percolate from the percolate flow tank 34 into percolate nozzles 84 located in the area of the ceiling of the fermenter 16 to wet the digestate 72 from above.
  • a special feature of the illustrated embodiment of the invention is that the percolate circulation tank 34 is formed relatively large.
  • the Perkolatumlauftank 34 has a size of 450 m 3 and is intended to supply three fermenters 16. Each fermenter has a floor area of 245 m 2 , and with a filling height of 4.25 m, a volume of 1041 m 3 . This means that the ratio of PUT volume to fermentation volume is 14.4%.
  • Such a large percolate circulation tank acts as a kind of methane reactor in which methane is produced in large quantities. Therefore, the percolate circulation tank 34 is also connected to the biogas system. This will be explained in more detail below.
  • a level sensor prevents underflow or overflow of predetermined percolate levels.
  • the digestate of the fermenter which is the next one intended for a refreshment of the fermentation liquor, can be sprayed with the surplus immediately before emptying. Due to the partial disposal of the fermenter content, excess percolate can thus be removed.
  • all Perkolatumlauftanks 34 via a loop (not shown) connected to each other, so that excess percolate can be passed from one percolate circulation tank in another.
  • the spraying of the fermenter is automatically adjusted and this is displayed in the control room.
  • the fermenter 16 is coupled to the strong central venting system.
  • the central deaeration system can suck room air into the fermenter from the fermenter forecourt and discharge it into the central deaeration system at the end of the fermenter. This protects the wheel loader driver when refreshing the digestate 72 in the fermenter 16 from breathing in biogas or exhaust gas from the wheel loader.
  • the fermenter via the exhaust gas cooling space 31 is indirectly connected to the exhaust system of the gas engines (not shown). Before a fermenter is opened, the biogas contained therein can be displaced by exhaust gas and thus pressed into the gas reservoir 32. As a result, the biogas is not lost in the subsequent opening of the fermenter 16 by the otherwise required direct or indirect (via biofilter) discharge into the ambient air.
  • engine exhaust may in turn be introduced to displace the oxygen-rich atmosphere in the fermenter 16 so that the anaerobic digestion process starts faster, increasing plant performance.
  • the four stages of fermentation, hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis all take place in the fermenter.
  • the hydrolytic and acidogenic bacteria prefer an acidic range with a pH of 5.7 to 6.3.
  • the optimum pH of the methanogenic bacteria is between 6.7 and 7.5. If the pH falls well below this range, the methanogenic bacteria are inhibited and methane production drops drastically.
  • a particular problem is that the acidity temporarily drops significantly after a fermentation mixture, which is caused in particular by the auto-hydrolysis that always occurs in fresh material. Shortly after a booster freshening, the living conditions for the methanogenic bacteria are therefore particularly bad.
  • the methanogenic bacteria live well, reproduce well and can produce a lot of methane.
  • the methane production is at least partially shifted from the garage fermenter into the PUT, ie that a considerable proportion of methane gas is produced by the acedogenic and methanogenic bacteria in the PUT.
  • the structure is designed so that the products of the acid-fast fermentative (hydrolytic) and acidogenic bacteria are washed out by the percolate and passed into the PUT.
  • the acetogenic and methanogenic bacteria can convert these products to methane gas.
  • the acidity of the percolate decreases so that it is introduced into the fermenter after passing through the PUT at an elevated pH.
  • the hydrolytic and acidogenic bacteria in the fermenter and the acetogenic and methanogenic bacteria in the PUT each find their preferred living conditions, and hyperacidity of the fermenter is effectively avoided.
  • the acid-susceptible methanogenic bacteria can propagate undisturbed in the PUT and produce methane, unlike in the fermenter, where they are exposed to an acid spike at each boil-up refreshment. In particular, this allows a high methane yield even with relatively short fermentation cycles of about nine days.
  • methanogenesis still takes place, but to a lesser extent than without separation into fermenter and PUT.
  • the garage fermenter tends to become a hydrolysis vessel and the PUT a methane reactor, although of course also in the garage fermenter and in the percolate, which is sprayed into the garage fermenter, methanogenic bacteria are present and therefore also in the garage fermenter considerable amount of methane gas is produced.
  • Fig. 11 is a schematic sectional plan view of a PUT 34 is shown according to a development of the invention.
  • the PUT 34 comprises a mixing chamber 98 in which the percolate, which originates from six associated fermenters (F 1 to F 6 in FIG. 11), is combined and thereby mixed.
  • This has the consequence that the acidity of the individual percolate contributions compensates. For example, if the percolate from one of the six fermenters is particularly acidic just because a fermentation liquor has just taken place, this acidic peak will be substantially lessened by the less acidic percolate from the other five fermentors.
  • the fermenter 34 comprises a plurality of partitions 100, which form a channel structure through which the percolate is guided, as indicated in Fig. 11 by the arrows.
  • the channel structure is chosen so that the flow rate within the channel structure is less than 4 cm per second, preferably less than 2.5 cm per second. While the percolate flows through the channel structure, the products of the hydrolytic and acicogenous bacteria are degraded by the methanogenic and acetogenic bacteria, whereby the acidity of the percolate gradually decreases. This means that the acidity of the percolate immediately after entry into the PUT 34 is still relatively high and gradually decreases along the channel structure.
  • acetogenic and methanogenic bacterial strains involved in fermentation those that tolerate lower pH will preferentially settle near the entrance of the PUT 34, and those that are less acid resistant will tend to be in the range of the exit 102. Overall, the individual bacterial strains thus each settle where the living conditions are most favorable for them, whereby the overall methanogenesis is increased. While the acetogenic bacteria produce hydrogen, the methanogenic bacteria consume hydrogen. The most efficient way to exchange hydrogen is between acetogenic and methanogenic bacteria when they are in intimate cell contact. For this purpose, the bacteria involved form a flake structure in the PUT. So that these flakes are not destroyed by the shear forces in the percolate flow, the flow rate is kept below 4 cm per second, preferably below 2 cm per second, by a suitable choice of the channel structure.
  • FIG. 12 schematically shows a PUT 34 according to an embodiment of the invention, in which nets 104 filled with woodchips are provided as artificial settlement structures.
  • the channel structure has been omitted. It should be understood, however, that the channel structure and artificial settlement surfaces 104 are preferably combined.
  • the woodchips in the nets 104 provide a very large settlement surface for the acetogenic and methanogenic bacteria.
  • FIG. 13 shows a cross section through another PUT 34 or a channel section thereof according to a development of the invention.
  • notches 106 are formed in the PUT channel walls, into which rods or battens 108 mounted transversely to the passageway are inserted.
  • These rods or battens 108 are made of a corrosion-resistant material, such as wood.
  • These bars or battens 108 possibly in combination with underneath longitudinally extending slats or slats (not shown), serve to hold down the wood chip-filled nets 104 or other settlement bodies so that they do not float above the percolate level.
  • the atmosphere in the PUT contains 0.5 to 1% oxygen (corresponding to 2.5% to 5.5% air).
  • an inlet 112 is provided with a controllable valve 114 through which the appropriate amount of air is introduced into the PUT. Since the acetogenic and methanogenic bacteria in the percolate settle below the percolate level, the oxygen-containing atmosphere does not harm them.
  • the sulfur bacteria firstly need contact with the biogas they are supposed to clean, secondly, the already mentioned oxygen for the oxidation of sulfur, thirdly water for the microbiological process and, fourthly, nutrients for their own growth. Water and nutrients are contained in percolate.
  • the packing 110 intended for the settlement of sulfur bacteria is placed on the bars or battens 108. The level is chosen such that the fillers 110 are wetted by the percolate at a high percolate level, and are exposed to the biogas at a low percolation level. These fluctuations in the percolate level are correlated with the fermentation liquor, in which large quantities of percolate are squeezed out of the fermentation mass, which leads to an increase in the level in the PUT.
  • FIG. 13 an outlet 116 for biogas is shown in FIG. 13, which is generated in the PUT 34 and is supplied to the associated gas storage or to the gas engines.
  • a device 118 for spraying the filler body 110 with percolate is installed.
  • the device 118 includes a conduit 120 and a pump 122 through which percolate can be withdrawn from a lower portion of the PUT 34 of FIG. 14 and sprayed onto the settlement surfaces 110 through nozzles 124 on the ceiling of the PUT 34.
  • the packing 110 forming settlement areas for sulfur bacteria can be supplied with sufficient percolate, ie, water and nutrients, and moreover are exposed to the biogas atmosphere having the above-mentioned low oxygen content.
  • Fig. 15 is a schematic diagram in which six fermenters 16 and a PUT 34 are not shown to scale.
  • the percolate outlets of the fermenters 16 are connected to a percolate manifold 126.
  • the percolate passed through this percolate manifold 126 is directed to a sump 128 which functionally corresponds to the mixing chamber 98 of FIG.
  • this collecting container 128, the percolate from the six fermenters 16 shown is mixed, with acid peaks are leveled from individual fermenters.
  • the percolate is then introduced from the collection container 128 into the PUT 34, in which, for the sake of clarity, the channel structure and the packing are not shown as artificial settlement areas for bacteria.
  • the output 102 of the PUT 34 is connected to another line 130, which in turn has a branch 132 for each of the six fermenters 16. These branches 132 serve to spray percolate from the PUT 34 into the fermenters 16 through nozzles 84 (see FIG. 10) on the fermenter cover.
  • a percolate cycle is created from the six fermenters 16 via the collection container 128 into the PUT 34, and from the PUT 34 via the conduit 130 and the branches 132 again into the fermenters 26.
  • this design results in reducing the acid load contained in the percolate between leaving the fermenters 16 and re-entering the fermenters 16. This is done by forming a population of methanogenic bacteria in the PUT that produces high methane yields. Along with the population of methanogenic bacteria, acid digestion capacity increases so that higher acid peaks in fermenters 16 can be more often "digested".
  • all six fermenters 16 are connected to a biogas manifold 134, through which biogas is passed from the fermenters 16 to the gas reservoir or gas engine.
  • the PUT 34 also has an outlet 136 for biogas connected to the biogas manifold 134. Further, the PUT 34 is connected to a balance gas storage 138.
  • the PUT 34 includes a drain 140 through which percolate can be drained from the PUT 34 and discarded.
  • the percolate does not become infinitely old in the cycle shown.
  • the ability to dispose of percolate from the circulation is important so that it does not lead to undesirable concentrations of inhibitors in the percolating percolate.
  • the drain 140 is chosen to be so large that the pull created during its opening is sufficient to wash away deposits on the bottom of the PUT 34 so that it does not need to be cleaned or only rarely.
  • the PUT 34 shown in Fig. 15 is also connected via a loop 141 to other PUTs of the biogas plant 10, which in turn are connected to another group of fermentors in a similar manner, as shown in Fig. 15.
  • a balance in the percolate amount can be created between the individual PUTs 34.
  • other PUTs may temporarily replace one of the PUTs, for example, if it can not be operated for maintenance. The fermentation and Power generation operation can then be maintained undisturbed, so there is no production losses for gas and electricity.
  • the biogas plant described here is particularly suitable for the fermentation of solid manure and straw.
  • the ability of the digestate to accept percolate exceeds a capacity of 0.75 m percolate per 1 m fermenter base area and day.
  • a capacity of 0.75 m percolate per 1 m fermenter base area and day In fact, around 1 m 3 of percolate per square meter of fermenter base area and day can be absorbed. With a fermenter base area of 245 m 2 , this means that around 250 m 3 are sprayed into a fermenter per day.
  • the percolate remains in the PUT for about five hours, so the percolate is handled about five times a day.
  • the PUT 34 should thus have a liquid volume of 50 to 60 m 3 ready. Since a PUT 34 supplies six fermenters 16, the PUT 34 should have 360 m 3 available solely for taking up the percolate. However, this volume is still the volume that take the filling for the colonization of bacteria in the PUT. Preferably, the packing takes two thirds of the volume of the PUT. In addition, the PUT 34 is preferably capable of receiving percolate which is squeezed out of the fermentation mass during the fermentation. These are around 420 m 3 . Overall, therefore, the PUT 34 preferably has a volume of 1,500 m 3 . When woodchips are used as packing, the volume of the PUT is ideally 17% to 23% of the volume of the fermenter for which it is intended.
  • FIG. 16 shows schematically a plan view of the fermenter forecourt 18 with the adjacent fermenters.
  • the fermentation of the fermentation is carried out on the example of the fermenter F 11 .
  • the angegorene fermentation mass is completely removed from the fermenter F 11 and unloaded onto the fermenter forecourt 18th Of the extracted anaerobic digestate about 20% are introduced as digestate in the fermentation bunker 60, where it is subjected to secondary fermentation.
  • the remaining approximately 80% of the fermented fermented mass is pressed out using a screw press so that a liquid phase is formed. This liquid phase is introduced into one or more PUTs.
  • the pressed out fermented fermentation mass serves as so-called inoculation mass for the added fresh mass. After mixing of inoculum and fresh mass, the refreshed fermented mass is returned to the fermenter Fn.
  • the biogas plant in the base section 12 comprises 18 fermenters. Of these 18 fermenters, the fermentation mass is preferably refreshed twice daily, resulting in a fermentation cycle of nine days. This is considerably shorter than the usual fermentation cycles of about 28 days in known solidification processes. In fact, however, with such a shortened fermentation cycle, plant performance can be significantly increased, as the inventor found in computer simulations. As a result of the fact that the particularly acid-sensitive methanogenic bacteria can settle in the PUT, the now more frequently occurring acid peaks can be absorbed during the regeneration of the digestate, without the gas yield being significantly impaired.
  • the power and heat generation plant 22 is shown enlarged in FIG. It comprises four engine compartments 88a to 88d, which are each intended to set up a gas engine with a generator connected.
  • the gas engines use the dried and biologically desulphurised, but otherwise unchanged biogas as fuel.
  • each motor is supplied via a separate gas compressor which draws the biogas from the central gas reservoir 86 via overpressure and low-pressure switches, gas filters and flashback arresters (not shown) and presses them into the gas control path of the engine at a pressure of 80 to 200 mbar ,
  • the biogas is burned in the engines, converting chemical energy into mechanical energy and heat.
  • the required combustion air passes through a separate ventilation system 90a to 9Od in the respective engine room 88a to 88d.
  • a separate vent system 92a to 92d intended for each engine room 90a to 90d.
  • the amount of fresh air supplied is about six times as high as the need for combustion air.
  • the mechanical energy of the motor is converted in the connected medium voltage generators (not shown) into electrical power, which can be fed directly into a medium voltage grid.
  • the resulting heat of combustion is discharged via cooling circuits of the engines (cooling gas-air mixture, oil cooling, water cooling) (not shown) in three heat exchangers, which are connected in series with each engine.
  • cooling gas-air mixture, oil cooling, water cooling not shown
  • additional heat may be used to heat a government building (not shown). However, this only accounts for around 5% of the available heat.
  • the majority of the waste heat is used to dry fermentation residues in the dehydrogenation and pelletizer 68, which will be described in more detail below. Further heat can be fed into a BMKW's own local heating network via which, for example, neighboring commercial enterprises can be supplied.
  • the power and heat generation system 22 includes a docking station 94.
  • the docking station is equipped with the entire periphery of a generator set, in particular the gas compressor, the gas control system, the ventilation system, exhaust gas heat exchangers, exhaust mufflers, supply fresh oil, waste oil and connections the heating system.
  • This periphery can be connected via flexible connections to a mobile generator set, which can be brought in if required.
  • a gas engine fails, the gas utilization side of the shown BMKW drops to a maximum of 75% of the power, and this only for a short time, namely until the mobile replacement generator set has been procured.
  • a replacement generator set can for example be kept at a central point in Germany on a low loader for a variety of BMKWs and brought in case of need and connected.
  • the docking station 94 serves not only for unplanned failures of a generator set, but in particular for planned maintenance on one of the generator sets, so that the power of the BMKW does not have to be shut down during the maintenance measures, because the substitute generator set, which is connected to the docking station 94, takes over the work of the generator set to be maintained.
  • the power and heat generation plant 22 includes an oil storage 96.
  • Fig. 17 is a block diagram schematically illustrating the components of the digestate dehydrogenation and pelletizer 68.
  • the device 68 comprises the screw press 70 already mentioned above in connection with FIG. 8.
  • the screw press 70 is capable of dehydrating the fermentation residues that come very wet from the digestate bunker 60 to a moisture content of 45 to 55% by weight. The achievable moisture content is adjusted so that the residual moisture remaining from the waste heat of the gas engines can be dried sufficiently.
  • the resulting during pressing liquid phase is fed as process water back into the fermentation residue bunker 60. If necessary, it is cleaned or chemically worked up.
  • the solid phase is applied to the conveyor belt 66, which is shown in Fig. 8 and is symbolized by an arrow in Fig. 15.
  • a decanter can also be used.
  • a low temperature belt dryer 142 (see also FIG. 8) operatively connects to the screw press 70, during which no dioxins and furans are formed during the drying process due to the low temperature of around 120 ° C.
  • the belt dryer 142 is heated exclusively with the waste heat of the generator sets, which makes the overall process very efficient.
  • the fermentation residues fed from the conveyor belt 66 fall into a discharge hopper (not shown) from which a distributor applies it to an underlying drying belt (not shown).
  • the fermentation residues form a "carpet" on the drying belt which is driven through a drying tunnel (not shown).
  • a warm air stream ventilates the digestate carpet and dries the wet material. The drying process takes place continuously.
  • the moisture content of the fermentation residue is measured and the heat input is controlled so that the water content of the digestate is reduced to 7 to 13% by weight.
  • the aim of the regulation is inter alia that the Belt dryer always ensures the desired low moisture level of the dried fermentation residues with fluctuating parameters such as heat output, moisture of the digestate, dehydration conditions and quality of the fermentation residues.
  • a drum dryer (not shown) with contact drying may be used which also operates at sufficiently low temperatures.
  • the belt dryer 142 is designed so that the accumulated residual heat can be used as completely as possible, with particular consideration of summer heat spikes, which are not caused by the sale of e.g. can be leveled for heating purposes.
  • the belt dryer 142 is followed by a pneumatic conveying system, which is represented by the arrow 144 in the schematic representation of FIG. 15. Since the fermentation residues after drying in the belt dryer 142 are very light, a pneumatic conveyor system is preferable to a conveyor belt because less material is lost during transport and less dust is generated.
  • the Harnnermühle 146 is a conventional large capacity hammer mill known per se on rigid base frames with vibration dampers, electric door lock, storage temperature monitoring and Mahlhunttemperaturschreibung, as currently for the milling of natural substrates such as straw, corncob, alfalfa, hay, paper, wood , Hemp or jute is already in use.
  • the hammer mill 146 may alternatively be arranged between the screw press and the belt dryer. In this case, the crushing of the material takes place at an even higher moisture content of the digestate, so that less dust is formed and the associated risk of explosion is prevented.
  • a straw mill can be used.
  • the dried and comminuted fermentation residues are introduced from the hammer mill 146 via a further pneumatic or mechanical conveyor 148 into a conditioner 150.
  • the fermentation residues are mixed with suitable additives. which increases the quality of the pellets finally produced.
  • suitable additives for example, cereal flour and / or molasses and / or starch may be added to the conditioner 150, thereby increasing the strength of the fermentation residue pellets, which in turn improves combustion.
  • the fermentation residues in the conditioner 150 can be exposed to water vapor, which makes the mass smoother and easier to pelletize.
  • the fermentation residues in conditioner 150 may be added with quicklime in small amounts (eg 1 to 2% by weight) to positively influence the ash softening behavior of the pellets upon burning due to the altered ratio of calcium to potassium in the ash.
  • the fermentation residues in the conditioner 150 sawdust or wood chips can be added, by the quality of the obtained fermentation residual pellets is further increased as a fuel.
  • oil press cakes may be added which are obtained in the recovery of oil from rapeseed or pumpkin seeds and which may increase the calorific value of the fermentation residue pellets.
  • magnesium, calcium and / or aluminum can also be added. The aim of the admixture is that the fuel pellets reach standard fuel quality and / or are suitable for use as fuel in accordance with the conditions specified in the first and / or the fourth Federal Immission Control Ordinance (BImSchV).
  • the conditioner 150 is placed directly on the pelletizer 152 so that the fermentation residues processed in the conditioner 150 are introduced directly from the conditioner into the pelletizer 152 without a buffer.
  • the pelletizer 152 is formed by a pelletizing press known per se.
  • the processed fermentation mass is pressed in a pug mill at high pressure through dies, wherein the lignin contained in the digestate melts, whereby the molding compound is caked together. Behind the die, a knife cuts the pellets off, for example, 15 mm long pieces. Alternatively, however, fuel briquettes can be produced.
  • the pellets are introduced via a further, possibly mechanical conveyor 154 into a cooling device 156, in which the pellets, which have been heated during the conditioning and pelleting, can cool.
  • the pellets are transported in a storage silo 68, which is also shown in Fig. 8, in which they are stored until their removal.
  • the fermentation residue pellets are hydroscopic due to their low water content, that is, they tend to absorb water from the ambient air. Therefore, they are stored in the storage silo 68 in a very dry atmosphere and transported for example in a tank truck from the storage silo 68 to the consumer.
  • the dehydration and pelletizer 64 With the dehydration and pelletizer 64 shown, valuable fuel pellets are recovered from the digestate. If the substrate mixture for the fermentation process mainly consists of straw and solid manure, fermentation residue pellets are obtained whose calorific value is between 5000 and 5400 kWh per tonne of dry matter. As a result, an energetically and economically valuable fuel is created, for its generation only waste heat is used, which is obtained anyway, and a small fraction of the power generated anyway in the biomass power plant. Since the fermentation residues are washed out in the fermenter 16 and in the digestate bunker 60, the resulting fuel has a good quality with respect to immission. The efficiency of the biomass power plant as a whole is extremely high due to the inventive combination of biogas production by fermentation of straw and Gärrestepelletie- tion.
  • Biomass power plant as an example of a biogas plant

Abstract

Gezeigt wird eine Biogasanlage sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas nach dem anaeroben, bakteriellen Feststoffvergärungsverfahren. Die Biogasanlage umfasst eine Mehrzahl von Fermentern des Garagentyps, mindestens einen Perkolatumlauftank (PUT) der zur Aufnahme von Perkolat mit mindestens einem zugehörigen Fermenter verbunden ist, wobei der PUT an das Biogassystem angeschlossen ist und ein Volumen hat, welches mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 7%, besonders vorzugsweise mindestens 10% und insbesondere mindestens 12% des Volumens desjenigen Fermenters oder derjenigen Fermenter beträgt, mit dem bzw. denen er zur Aufnahme von Perkolat verbunden ist

Description

Michael Feldmann F30376PCT(Y)
Biogasanlage mit Feststoffvergärung und Methanerzeugung im Perkolatumlauftank
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Biogasanlage, insbesondere ein Biomassekraftwerk und ein Verfahren zur Biogaserzeugung nach dem Feststoffvergärungsverfahren.
Als etablierte Technik zur Erzeugung von Biogas gelten gegenwärtig die so genannten Nass- fermentationsanlagen, von denen derzeit über 3500 in Deutschland im Einsatz sind. Diesen stehen lediglich rund 20 Anlagen zur Feststoffvergärung (auch Trockenvergärung genannt) von nachwachsenden Rohstoffen entgegen. Gemäß dem erst kürzlich erschienenen Endbericht "Monitoring zur Wirkung des novellierten Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse", der im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) erstellt wurde, hat die Trockenvergärung noch nicht den Stand der Marktreife erreicht. Die in Betrieb befindlichen Anlagen werden dort vielmehr als Demonstrationsanlagen angesehen (siehe Seite 52, Abbildung 5-2 des genannten Endberichts).
Bei der gattungsgemäßen Biogasanlage handelt es sich um eine Biogasanlage zur Erzeugung von Biogas nach dem FeststoffVergärungsverfahren mit einer Mehrzahl von Fermentern des Garagentyps und mindestens einem Perkolatumlauftank (PUT), der zur Aufnahme von Perko- lat mit mindestens einem zugehörigen Fermenter verbunden ist. Als Perkolat bezeichnet man eine Flüssigkeit, die bei der Trockenvergärung aus der Gärmasse austritt. Dieses Perkolat wird am Boden eines Fermenters gesammelt und in den mindestens einen Perkolatumlauftank geleitet. Aus diesem mindestens einem Perkolatumlauftank wird das Perkolat dann wieder in die Fermenter geleitet, um dort die Gärmasse zu durchnässen, denn ohne Wasser können die biochemischen Prozesse nicht ablaufen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistung herkömmlicher Biogasanlagen zu erhöhen und ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas nach dem Feststoffvergä- rungsverfahren zu verbessern, und zwar so, dass der Methanertrag gegenüber herkömmlichen gattungsgemäßen Biogasanlagen und Verfahren höher ausfallt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine PUT an das Biogassystem angeschlossen ist und ein Volumen hat, welches mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 7 %, besonders vorzugsweise mindestens 10 % und insbesondere mindestens 12 % des Volumens desjenigen Fermenters oder derjenigen Fermenter beträgt, mit dem bzw. denen er zur Aufnahme von Perkolat verbunden ist.
Die Biogasanlage der vorliegenden Erfindung zeichnet sich somit durch einen verhältnismäßig großen PUT und weiterhin dadurch aus, dass der PUT an das Biogassystem angeschlossen ist.
Bei bekannten Biogasanlagen der eingangs genannten Art ist der PUT — wenn überhaupt vorhanden - wesentlich kleiner ausgebildet, als bei der Erfindung. Dabei hat der PUT bisher lediglich die Funktion, Perkolat zu sammeln und ausreichend Perkolat zur Besprühung des Fermenterinhalts bereitzustellen, damit die Pumpen, die zum Fördern des Perkolats verwendet werden, keine Luft ansaugen. Die Methanbildung erfolgt so gut wie ausschließlich in den (Garagen-) Fermentern.
Bei der Biogasanlage der Erfindung hingegen ist der PUT wesentlich größer ausgeführt als im Stand der Technik, und er ist zudem an das Biogassystem angeschlossen. Der Erfinder hat erkannt, dass sich bei einer ausreichenden Größe des PUTs ein ganz erheblicher Methanertrag im PUT erzeugen lässt, und deshalb ist des PUT auch an das Biogassystem angeschlossen.
Durch die Größe des PUT und die durch diese erreichbaren Verweilzeiten des umlaufenden Perkolats im PUT wird erreicht, dass sich im PUT eine erhöhte Konzentration an acetogenen und methanogenen Bakterien einstellt, während sich im Garagenfermenter eine erhöhte Konzentration der fermentativen bzw. hydrolytischen und acidogenen Bakterien einstellt. Dies bedeutet, dass im Fermenter zunächst die Hydrolyse der Biomasse in einfache organische Bausteine und die Acidogenese dieser einfachen organischen Bausteine stattfindet. Die Aci- dogenese führt zu methanogenen Substraten und acetogenen Substraten, die dann durch das Perkolat teilweise ausgewaschen und mit dem Perkolat in den PUT geleitet werden. Im PUT siedeln sich bevorzugt die acetogenen und methanogenen Bakterien an, die die Produkte der hydrogenen und acidogenen Bakterien (im Wesentlichen diverse organische Säuren) verarbeiten, wodurch auch und gerade im PUT Methan erzeugt wird. Der PUT wirkt dadurch in gewissem Sinne als ein "Methanreaktor". Diese örtliche Trennung der Stufen der Vergärung gilt nur tendenziell, selbstverständlich finden auch im Garagenfermenter weiterhin Acetogenese und Methanogenese statt. Jedoch finden die acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT bessere Lebensbedingungen, als im Fermenter. Insbesondere leiden die methanogenen Bakterien im Fermenter unter "Säurespitzen", also einem vorübergehenden starken Abfall des pH- Wertes, der immer dann auftritt, wenn neue Frischmasse in den Fermenter eingeführt wird. Der Grund für diese Säurespitzen bei der Gärmasseauffrischung liegt unter anderem in der dabei stattfindenden AutoHydrolyse, bei der Säuren, die im Pflanzenmaterial bzw. im Restwasser der Pflanzen enthalten sind, in Wasser gelöst werden. Problematisch hierbei ist insbesondere, dass die methanogenen Bakterienstämme in der Regel die längsten Reproduktionszeiten sämtlicher beteiligter Bakterien haben und tendenziell die methanogenen Bakterien mit langen Reproduktionszeiten höhere Methanerträge liefern als solche mit kurzen Reproduktionszeiten. Dies bedeutet, dass die besonders methanertragsreichen Bakterien im Fermenter einen verhältnismäßig langen Gärzyklus bevorzugen würden, der aber für den Gesamtertrag des Biomassekraftwerks, wie unten näher erläutert wird, nicht optimal ist. Im PUT hingegen können die methanogenen Bakterien bei für sie vorteilhafteren Bedingungen siedeln und sich vermehren und so zu einem hohen Methanerträge im PUT führen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere PUTs vorgesehen, die untereinander durch eine Perkolatleitung, insbesondere eine Perkolatringleitung verbunden sind. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Fermentern zu PUTs mindestens 3 : 1, und besonders vorzugsweise mindestens 5 : 1. Dies bedeutet, dass das Perkolat aus mehreren Fermentern in ein und denselben PUT geführt wird. Insbesondere bedeutet dies, dass Perkolat, welches aus einem Fermenter stammt, in dem gerade eine Gärmassenauffrischung stattgefunden hat und somit der pH- Wert abgesunken ist, mit Perkolat aus anderen Fermentern mit höherem pH- Wert gemischt wird, und so Säurespitzen abgefedert werden, was die Lebensbedingungen für die acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT deutlich verbessert. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die aus unterschiedlichen Fermentern stammenden Perkolatzuflüsse miteinander vermischt werden, noch bevor sie in einen PUT eingeführt werden.
Vorzugsweise ist der mindestens eine PUT in einem PUT-Kreislauf angeordnet, in dem Perkolat, welches durch einen Ablauf aus einem Fermenter abläuft, mindestens einen PUT durchlaufen muss, bevor es wieder in einen Fermenter eingeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die im Perkolat enthaltenen Säuren von den acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT abgebaut werden und das Perkolat weniger sauer in die oder den Fermenter eingeführt wird. Dadurch wird verhindert, dass die Fermenter übersäuern bzw. es wird möglich, die Fermenter häufiger und in größeren Mengen mit frischen, noch unvergorenem Material zu beschicken. Dies wiederum reduziert die erforderliche Anlagengröße und spart Investitionskosten in erheblichem Maße.
Vorzugsweise ist der mindestens eine PUT beheizbar, um die optimalen Bedingungen für die acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT herstellen zu können.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind in dem mindestens einen PUT künstliche Siedlungsflächen für methanogene Bakterien installiert. Derartige Siedlungsflächen können durch einen oder mehrere der folgenden Gegenstände gebildet werden: Gestelle, in die hand- tuch-, teppich- oder gardinenartige Gewebe gehängt werden können, korbartige Gebilde oder hohle Bälle aus säurefestem Kunststoff, insbesondere solche, die mit kleineren Gegenständen gefüllt sind, lamellenartige Strukturen aus Kunststoff, Haufwerke von Gegenständen mit großen Oberflächen, insbesondere Holzhackschnitzeln oder Stroh, und/oder Netze oder sonstige Behältnisse mit Öffiiungen, die mit Holzschnitzern gefüllt sind. Dabei sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, die ein Aufschwimmen dieser Gegenstände verhindern, so dass die Siedlungsflächen für die methanogenen Bakterien stets in Perkolat eingetaucht sind. Durch diese Siedlungsflächen kann eine erhöhte Population von methanogenen Bakterien erhalten werden, wodurch der Biogasertrag im PUT erheblich gesteigert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem mindestens einem PUT eine Kanalstruktur derart ausgebildet, dass Perkolat, welches an einem Eingang in den PUT eintritt, bis zu seinem Austritt entlang eines Flussweges geführt wird, dessen Länge mindestens das Dreifache, vorzugsweise mindestens das Sechsfache der größten Dimension des PUT beträgt. Während des Durchflusses des Perkolats durch den PUT bauen die acetogenen und methanogenen Bakterien Säure ab, so dass der pH- Wert des Perkolats nach und nach steigt. Durch die Kanalstruktur wird erreicht, dass sich ein quasi kontinuierlicher Fluss des Perkolats entlang des Kanals ergibt, so dass sich entlang des Kanals im Mittel unterschiedliche pH- Werte des Perkolats einstellen werden. Konkret bedeutet dies, dass der pH- Wert in einem Kanalabschnitt in der Nähe des Eintritts in den PUT geringer sein wird als in einem Kanalabschnitt, der sich in der Nähe des Ausgangs des PUTs befindet. Dies bedeutet wiederum, dass sich die diversen methanogenen Bakterienstämme dort innerhalb der Kanalstruktur ansiedeln werden, wo ihr optimaler Säuregrad vorliegt. Methanogene Bakterienstämme, die empfindlicher gegenüber Säuren sind, werden sich eher am Ende der Kanalstruktur ansiedeln, während sich Bakterienstämme, die geringere pH- Werte aushalten können, näher am Eintrittsbereich des PUT ansiedeln werden. Insgesamt finden die diversen acedogenen und methanogenen Bakterienstämme auf diese Weise ihre optimalen Lebensbedingungen und steigern somit den Methanertrag.
Vorzugsweise ist die Kanalstruktur im PUT derart ausgebildet, dass auch das Biogas, welches im PUT entsteht, bis zu seinem Austritt in das Biogassystem im Kanalsystem oberhalb des Fliessweges des Perkolats geführt wird.
Vorzugsweise hat der mindestens eine PUT Zugänge, insbesondere gasfest verschließbare Luken, durch die er für Bedienpersonal zugänglich ist. Der PUT kann ein Foliendach aufweisen. Alternativ kann jedoch ein festes Dach, beispielsweise aus Beton, vorgesehen sein. In diesem Fall ist der PUT dann mit einem Ausgleichs-Gasspeicher für Biogas verbunden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Einrichtung vorgesehen, die geeignet ist, in der Gasatmosphäre des PUT einen Sauerstoffgehalt von 0,2 % bis 2,5 %, vorzugsweise von 0,5 % bis 1 %, herzustellen. Dieser Sauerstoffgehalt gestattet, dass sich im Luftraum des PUT Schwefelbakterien ansiedeln können, die auf biologische Weise die bei der anaeroben bakteriellen Vergärung anfallenden schädlichen Schwefelverbindungen (beispielsweise H2S, COS, CS2) binden. Dies ist äußerst vorteilhaft, weil derartige Schwefel Verbindungen, insbesondere Schwefelwasserstoff, im Biogas zu erheblichen Problemen bei der Gasnutzung führen können. Beispielsweise sind Korrosionen an der Anlagentechnik und/oder an den Motoren auf die Bildung von Schwefelsäure bzw. schwefligen Säuren zurückzuführen. Weitere Probleme, die durch derartige Schwefelverbindungen auftreten können, bestehen in der Versauerung des Motoröls und in einer Hemmung des Vergärungsprozesses. Außerdem können sogar Beton- fermenter von Korrosion betroffen sein, wenn Schwefelwasserstoff an der Luft oxidiert und Schwefelsäure entsteht. Schließlich entsteht bei der Verbrennung von Schwefelwasserstoff Schwefeldioxid, das auf der Abgasseite zu Problemen führt. Weiterhin ist es auch bei der Ein- speisung von Methan in das Erdgasnetz zwingend erforderlich, das Biogas vorher zu entschwefeln. Eine Entschwefelung des Biogases ist also aus materialtechnischen und aus mikrobiologischen Gründen äußerst vorteilhaft. Vorzugsweise sind in dem mindestens einen PUT künstliche Siedlungsflächen für Schwefelbakterien angeordnet. Diese Siedlungsflächen sollten so angeordnet sein, dass die Schwefelbakterien Kontakt zum zu reinigendem Medium, d.h., dem Biogas haben, Zugang zum Sauerstoff in der Gasatmosphäre des PUT, um den Schwefel oxidieren zu können, Zugang zu Wasser für den mikrobiologischen Prozess und Zugang zu Nährstoffen für das eigene Wachstum. Wasser und Nährstoffe finden die Schwefelbakterien im Perkolat. Vorzugsweise sind die Siedlungsflächen für Schwefelbakterien daher derart angeordnet, dass sie innerhalb der zu erwartenden Fluktuation des Pegelstandes des Perkolats im PUT zeitweilig vom Perkolat im PUT benetzt werden und zeitweilig dem Biogas ausgesetzt sind.
Alternativ können die Siedlungsflächen für Schwefelbakterien jedoch oberhalb des Perkolat- pegels im PUT angeordnet sein und dafür mit Perkolat besprüht werden.
Zusätzlich können wie oben beschrieben auch in den Garagenfermentern künstliche Siedlungsflächen für Schwefelbakterien installiert werden. Damit sie Kontakt zum zu reinigenden Medium, d.h. dem im Garagenfermenter erzeugten Biogas haben, Zugang zum Sauerstoff in der Gasatmoshäre des Garagenfer-menters, Zugang zu Wasser und Zugang zu Nährstoffen, sollten die zusätzlichen Siedlungsflächen zwischen den Perkolatdüsen und der Gärmasse installiert werden. Dies kann z.B. so erfolgen, dass mit Holzhackschnitzeln oder sonstigen Stoffen mit großen Oberflächen gefüllte offene Behältnisse (wie z.B. Netze) an die Fermenterdecke gehängt oder in Mattenform auf die Gärmasse gelegt werden. Dadurch steigt die Entschwefelungsleistung der latent vorhandenen Schwefelbakterien in ganz erheblichem Maße. Im Gegensatz zur Gärmassedecke, die ebenfalls eine große Oberfläche aufweist, wird die O- berfläche der künstlichen Siedlungsfläche nicht bei jeder Gärmassenauffrischung zerstört, sondern bleibt für den nächsten Gärzyklus erhalten, wodurch sich die Population der Schwefelbakterien nicht immer wieder neu aufbauen muss, sondern in ausreichender Größe von Anfang an vorhanden ist. Dadurch steigt die Entschefelungsleistung nochmals.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Biogasanlage eine Presse, die geeignet ist, bereits angegorene Gärmasse, welche im Zuge einer Gärmassenauffrischung aus dem Fermenter herausgeholt und als Impfmasse für die Frischmasse verwendet wird, so auszupressen, dass die flüssige Phase in mindestens einen PUT geleitet und die feste Phase mit der Frischmasse vermischt werden kann. Dies ermöglicht es bei gleicher Substrateinsatzmenge, den Nährstoffgehalt des Perkolats zu erhöhen. Bei dem Auspressen der Gärmasse werden Nähr- Stoffe freigesetzt, die ohne diese mechanische Bearbeitung der Gärmasse in den Pflanzenstrukturen verblieben und somit entsorgt würden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dieses Auspressen nicht nur einmal vorzunehmen, sondern das gesamte Animpfmaterial bei jeder Gärmassenauffrischung komplett neu auszupressen bzw. durchzuwalken. Dabei ist es vorteilhaft, wenn lediglich nur rund 20 % der Gärmasse entsorgt werden und rund 80 % als Animpfrnasse zurückbleiben. Dadurch durchläuft ein erhöhter Anteil der Substrate den Gärprozess mehrfach. Dieser erhöhte Anteil wird so mehrfach ausge- presst und durchgewalkt, was die Nährstoffausbeute und somit den Nährstoffanteil im Perko- lat und dadurch die Methanproduktion weiter erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Boden des PUTs mindestens ein Auslass vorgesehen, durch den Perkolat aus dem PUT abgelassen werden kann, wobei der Durchmesser des Auslasses so groß ist, dass Trockensubstanz, welche sich am Boden des PUT als Schlick abgesetzt hat, beim Ablassen des Perkolats durch den mindestens einen Auslass fortgespült wird. Ergänzend oder alternativ können im PUT in Bodennähe umlaufend Rohre mit düsenartigen Ausgängen installiert werden, die den Schlick aufwirbeln, bevor er durch die Auslässe fortgespült wird. Dadurch wird der Aufwand bei einer manuellen Reinigung des PUT reduziert oder kann sogar ganz entfallen.
Vorzugsweise beträgt die Fließgeschwindigkeit des Perkolats entlang des oben genannten Flussweges im PUT im Mittel weniger als 4 cm pro Sekunde, und besonders vorzugsweise weniger als 2,5 cm pro Sekunde. Eine geeignete Fließgeschwindigkeit kann dadurch erzielt werden, dass die Kanalstruktur auf das Aufkommen an Perkolat entsprechend abgestimmt wird. Der besondere Vorteil der begrenzten Fließgeschwindigkeit des Perkolats besteht darin, dass dadurch Scherkräfte im Perkolat vermieden werden können, welche Flocken aus aceto- genen und methanogenen Bakterien zerreißen könnten. Eine enge räumliche Nähe zwischen den acetogenen Bakterien, die Wasserstoff produzieren, und den methanogenen Bakterien, die Wasserstoff verbrauchen, ist für den Prozess wichtig, damit sie den Wasserstoff effizient austauschen können. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Flocken aus acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT erhalten bleiben.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform hält sich das Perkolat durchschnittlich vier bis zwölf Stunden, vorzugsweise durchschnittlich fünf bis sieben Stunden im PUT auf. Diese Verweil- zeiten im PUT sind vorteilhaft sowohl im Hinblick auf den Methanertrag im PUT als auch im Hinblick auf den Gärprozess im Fermenter.
Vorzugsweise wird die Gärmasse im Fermenter so weit mit lockerem Material, beispielsweise Stroh, angereichert, dass sich die Fähigkeit der Gärmasse, Perkolat aufzunehmen, auf eine Aufnahmekapazität von mindestens 0,75 m3 Perkolat pro 1 m2 Fermentergrundfläche und Tag erhöht. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Biogaserzeugung werden somit mindestens 0,75 m3 Perkolat pro 1 m2 Fermentergrundfläche und Tag auf die Gärmasse im Fermenter gesprüht.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird das Perkolat im PUT bei 30°C bis 40°C, vorzugsweise 33°C bis 370C gehalten. Dieser Temperaturbereich stellt nach Erkenntnis des Erfinders einen idealen Kompromiss zwischen den bevorzugten Temperaturen der acetogenen und methanogenen Bakterien (die zwischen 320C und 42°C liegen) und den bevorzugten Temperaturen der acidogenen Bakterien im Fermenter dar (die zwischen 25°C und 35°C liegen), in die das Perkolat ja zurückfließt. In diesem Temperaturbereich sind insgesamt die besten Biogaserträge zu erwarten.
Üblicherweise findet bei Feststoffvergärungsverfahren in Garagenfermentern alle 28 Tage eine Gärmassenauffrischung statt. Dies ist die Gärzykluszeit, die beispielsweise von „Bio- Ferm", einem Hersteller für FeststoffVergärungsanlagen empfohlen wird. Der Erfinder hat jedoch erkannt, dass sich die Anlagenleistung erheblich steigern lässt, wenn die Gärzyklen gegenüber der im Stand der Technik üblichen Dauer von 28 Tagen erheblich verkürzt werden. Dazu hat der Erfinder Simulationen des Gasertrags in Abhängigkeit von Gärzykluszeiten durchgeführt und diese in Beziehung zu der verwendeten Gärmasse gesetzt. Dabei hat der Erfinder erkannt, dass sich die Leistung der Biogasanlage drastisch steigern lassen kann, wenn die Gärmasse pro Fermenter alle sechs bis zwölf Tage, vorzugsweise alle acht bis zehn Tage aufgefrischt wird. Durch die Verkürzung des Gärzyklusses wird die durchschnittliche Raumbelastung der Fermenter der Biogasanlage mit frischer organischer Substanz (Raumlast) erhöht. Insbesondere konnte der Erfinder feststellen, dass die Biogasanlage (d.h. das von den Fermentern bereitgestellte Volumen) durch die Verringerung der Gärzykluszeit bei gleicher Leistung rund 50 % kleiner ausfallen kann, als dies bei herkömmlichen Biogasanlagen des FeststoffVergärungstyps der Fall ist, was die Investitionskosten drastisch verringert. Eine noch weitere Verringerung der Gärzykluszeit führt nicht zu verbesserten Ergebnissen, da die aufge- frischte Gärmasse erst nach drei bis vier Tagen ihren optimalen Gasertrag liefert. Jedoch hängt die Möglichkeit zur Verkürzung der Gär2yklen ganz wesentlich von der eingangs beschriebenen räumlichen Verlagerung eines Teils der Acetogenese und Methanogenese in die PUTs ab.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl von Fermentern in der Biogasanlage zwischen 12 und 24, besonders vorzugsweise zwischen 16 und 20, und es werden in der gesamten Biogasanlage täglich zwei Gärmassenauffrischungen vorgenommen. Bei dieser Konzeption fällt also täglich dieselbe Arbeit für die Gärmassenauffrischung an, die vom Betriebspersonal der Biogasanlage vorgenommen werden muss, und so lässt sich der optimale Gärzyklus auch praktisch verwirklichen.
Vorzugsweise wird die Frischmasse vor dem Einbringen in den Fermenter aufgeheizt. Zusätzlich oder alternativ wird die Frischmasse vor dem Einbringen in den Fermenter einer schwach aeroben Vorhydrolyse unterzogen. Durch diese Maßnahme verkürzt sich die für das Substrat erforderliche Verweilzeit im Fermenter, wodurch die Fermenter häufiger und mit mehr Frischmasse beladen werden können und sich die Anlagenleistung, d.h., die Raumleistung in kg oTS/m3 Fermenter-Raum/Tag gesteigert wird. Für denselben Gasertrag müssen daher weniger Fermenter gebaut werden, so dass die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht wird.
Vorzugsweise umfasst die Auffrischung der Gärmasse die folgenden Schritte: Entnehmen der Gärmasse aus dem Fermenter, Ersetzen eines Teils der Gärmasse durch Frischmasse, und
Einbringen der durch Frischmasse ergänzten Gärmasse in den Fermenter, wobei die wieder in den Fermenter einzubringende, im vorhergehenden Gärzyklus bereits angegorene Gärmasse (die so genannte Animpfmasse) vor einer Vermischung mit Frischmasse so ausgepresst wird, dass eine flüssige Phase entsteht, die in mindestens einen PUT geleitet werden kann, und eine feste Phase entsteht, die mit der Frischmasse vermischt werden kann.
Vorzugsweise werden 13 % bis 60 % der Gärmasse in einen Nachgärer abgeführt, und der Frischmasseanteil beträgt vorzugsweise 22 % bis 69 % der neu in den Fermenter eingegebenen Gärmasse. Dieses besonders vorteilhafte Verfahren der Gärmassenauffrischung eignet sich wiederum besonders im Zusammenhang mit den verhältnismäßig großen PUTs und ihrer Funktion als Methanreaktor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Biogasanlage eine Einrichtung zum chemischen, mechanischen und/oder thermischen Aufschluss von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere von Stroh.
Der besondere Vorteil von Stroh ist, dass es sich dabei im Allgemeinen um einen Reststoff handelt, der beispielsweise bei der Getreideproduktion ohnehin anfällt, und daher in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht. Während bei den meisten so genannten Energiepflanzen, die speziell für die Energieerzeugung angebaut werden, eine Konkurrenz um begrenzte landwirtschaftliche Flächen mit Pflanzen für die Nahrungsmittel- und Futtermittelproduktion besteht, ist Stroh als Gärsubstrat eine der wenigen Ausnahmen dieser Konkurrenz um zur Verfügung stehende Ackerflächen.
Allerdings besteht gegenwärtig ein technisches Vorurteil gegenüber der Verwendung von Stroh als Gärsubstrat. Tatsächlich wird in der Fachwelt gegenwärtig angenommen, dass der Biogasertrag von Stroh für eine ökonomische Biogaserzeugung zu gering ist. Beispielsweise wird in dem Fachartikel "Energetische Verwertung von Stroh - Möglichkeiten und Grenzen" von D. Peisker, T. Hering und Dr. H. Vetter vom Thüringer Landesamt für Landwirtschaft aus dem Februar 2007 die Nutzung von Stroh auf der Basis eines anaeroben bakteriellen Abbaus kategorisch ausgeschlossen (siehe Seite 3 des zitierten Artikels). Der Grund für die Ansicht, dass Stroh sich für die anaerobe bakterielle Vergärung nicht eignet, liegt an dessen hohen Ligninanteil. Das Lignin, welches für die bei der Gärung beteiligten Bakterien unverdaulich ist, versperrt den Bakterien den Weg zur Cellulose und bewirkt daher, dass der Gärpro- zess und damit die Biogaserzeugung nur sehr langsam vorankommt. Aus diesem Grund spielt Stroh als Substrat in der Biogaserzeugung gegenwärtig keine Rolle, sondern gilt vielmehr als unbrauchbar.
Abweichend von diesem technischen Vorurteil hat der Erfinder jedoch festgestellt, dass sich durchaus große Mengen an Biogas aus Stroh erhalten lassen, wenn dieses vor der Vergärung chemisch, mechanisch und/oder thermisch aufgeschlossen wird. Im Folgenden werden eine Vielzahl von Verfahren vorgestellt, mit denen das Stroh aufgeschlossen und der Gasertrag erheblich gesteigert werden kann. Es sei angemerkt, dass alles, was in der folgenden Diskus- sion unter konkreter Bezugnahme auf Stroh erläutert und festgestellt wird, auch im Zusammenhang mit anderen lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen in Erwägung gezogen wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Einrichtung zum mechanischen Auf- schluss eine Einrichtung zum Schneiden, Häckseln und/oder Vermählen von lignin- und/oder faserhaltigen Rohstoffen, insbesondere eine Hammermühle oder Strohmühle.
Zusätzlich oder alternativ umfasst die Einrichtung zum Aufschluss von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere Stroh, eine Einrichtung zur Sattdampfbehandlung. Eine Einrichtung zur Sattdampfbehandlung umfasst vorzugsweise einen Druckbehälter und Mittel, die geeignet sind, im Druckbehälter einen Wasserdampf zu erzeugen, mit einem Druck, der zwischen 20 und 30 bar liegt, und einer Temperatur, die zwischen 180°C und 250°C liegt. Eine Sattdampfbehandlung findet bei den beschriebenen Drücken und Temperaturen statt und dauert typischerweise 5 bis 15 Minuten. Die Funktion der Sattdampfbehandlung soll am Beispiel von Weizenstroh beschrieben werden.
Weizenstroh besteht zu etwa 40 % aus Cellulose, zu 23 % aus Arabinoxylan (Hemicellulose) und zu 21 % aus Lignin, wobei alle drei Hauptkomponenten eine dicht gepackte Struktur einnehmen. Das wesentliche Hindernis für die biochemische Verwertung der Cellulose und der Hemicellulose ist das für Mikroorganismen unverdauliche Lignin, das den Bakterien den Weg zur Cellulose und zur Hemicellulose versperrt. Bei der Sattdampfbehandlung werden die Lig- ninstrukturen aufgeweicht bzw. geschmolzen, aber während der verhältnismäßig kurzen Behandlungsdauer im Wesentlichen nicht aus den Halmen ausgelöst. Nach der Sattdampfbehandlung erstarrt das Lignin wieder. Beim Erstarren des Lignins bilden sich jedoch aufgelockerte tröpfchenartige Ligninstrukturen, die ausreichend Zwischenräume lassen, durch die zunächst wässrigen organischen Säuren und dann die Bakterien an die Cellulose und das Arabinoxylan gelangen können, die diese durch die bekannte anaerobe vierstufige Vergärung zersetzen.
Bei der hier beschriebenen Sattdampfbehandlung wird das Lignin also vornehmlich in seiner mikroskopischen Struktur verändert, es wird aber nicht aus den Strohhalmen herausgelöst. Insbesondere bleibt die Struktur der Strohhalme als solche dabei erhalten. Dies stellt einen Unterschied zur Thermodruckhydrolyse dar, die unter grundsätzlich ähnlichen Bedingungen, jedoch für längere Zeiträume durchgeführt wird, und bei der eine echte Hydrolyse stattfindet, also eine Auflösung vormals fester bzw. trockener Stoffe in Wasser. Durch eine Thermo- druckhydrolyse wird die Struktur der Strohhahne aufgelöst, und es ergibt sich eine sirupartige Suspension.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Einrichtung zum Aufschluss von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere Stroh einen Behälter zum Einweichen derselben vor der Sattdampfbehandlung, beispielsweise in Wasser. Wenn der eingeweichte Rohstoff einer Sattdampfbehandlung unterzogen wird, verdampft das eingezogene Wasser schlagartig, wodurch Ligno-Cellulosestrukturen zerreißen und die Cellulose noch besser für die Bakterien zugänglich wird.
Alternativ zur Sattdampfbehandlung kann eine Vermahlung beispielsweise in einer Hammermühle erfolgen. Diese Aufschlussform zerstört die Ligninstrukturen mechanisch. Der Erfinder hat festgestellt, dass der Biogasertrag wesentlich mit dem Vermahlungsgrad zunimmt. Tatsächlich ergibt sich in einem Partikelbereich von 2 cm bis 0,1 mm ein Methanertrag, der gegenüber dem Logarithmus der Partikelgröße ungefähr linear abfallt. Vorzugsweise entspricht der Vermahlungsgrad daher mindestens einer Sieblochgröße von 8 mm, besonders vorzugsweise von 1 mm. Der Anteil des Strohs, der zum mechanischen Aufschluss vermahlt werden kann, hängt von dem Vermahlungsgrad ab. Bei einem feinen Vermahlungsgrad, entsprechend einer Sieblochgröße von 1 mm, ist es nicht sinnvoll, das gesamte Stroh zu vermählen, weil sich sonst ein teigartiger Brei bilden würde, der die Gärmasse verklebt und eine Per- kolation verhindert.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Stroh auf eine Partikellänge von weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 2 cm geschnitten und/oder gehäckselt werden. Dies kann beispielsweise schon bei der Ernte geschehen, weil sich mit modernen Ballenpressen Strohballen aus Halmen pressen lassen, die lediglich rund 4 cm lang sind.
Alternativ kann das Stroh jedoch auch in Ballenform aufgeschlossen werden, was insbesondere dessen Transport und Handhabung wesentlich erleichtert, wie unten näher erläutert wird. Da die Struktur beispielsweise von Strohhahnen unter der Sattdampfbehandlung erhalten bleibt, behalten auch Strohballen ihre Form unter der Sattdampfbehandlung bei und können nach dieser einfach und effizient transportiert werden. Ein besonderer Vorteil von Ballen be- steht femer darin, dass diese zuunterst in einen Garagenfermenter geschichtet werden können, wodurch sich die Füllhöhe des Fermenters steigern lässt. Prinzipiell ist die Füllhöhe des Fermenters dadurch begrenzt, dass ab einer gewissen Höhe des Substrats im Fermenter der Druck an dessen Boden so hoch wird, dass das Substrat zu stark verdichtet wird, um Perkolat durchsickern zu lassen. Strohballenschichten, die zuunterst in einen Fermenter eingebracht werden, sind jedoch weitaus druckstabiler als herkömmliches Gärsubstrat. Selbst unter der Belastung der darüber aufgehäuften Gärmasse ist die Strohballenschicht noch durchlässig für Perkolat, so dass die übliche Füllhöhe im Fermenter noch auf die Strohballenschicht aufgefüllt werden kann. Die Fermenter können deshalb um die Höhe der Strohballenlage höher konstruiert werden als üblich, was anteiligen fermenterspezifischen Technikkosten (Tor, Gastechnik, Senso- rik, Klappen und Öffnungen, Perkolatdüsen, Abläufe, Verrohrung, Pumpen etc.) reduziert und die Effizienz der Biogasanlage als Ganzes erhöht. Vorzugsweise werden die Strohballen aufgelöst, nachdem sie in den Fermenter geschichtet wurden, indem das Garn entfernt wird, mit dem sie zusammengehalten werden.
Weitere Erläuterungen zum Aufschluss von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen sind in der Patentanmeldung PCT/EP2007/006681 angegeben, deren Priorität in dieser Anmeldung beansprucht wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Biogasanlage eine Einrichtung zum Dehyd- rieren und Pelletieren von Gärresten, die geeignet ist, Gärreste zu Brennstoffpellets und/oder Brennstoffbriketts zu verarbeiten. Die Verarbeitung von Gärresten zu Brennstoffpellets ist wiederum besonders dann attraktiv, wenn lignin- und/oder faserhaltige nachwachsende Rohstoffe, insbesondere Stroh, als Gärsubstrat verwendet werden. Dabei hat das in den Gärresten enthaltene Lignin den Vorteil, dass es bei der Pelletierung schmilzt, beim Abkühlen der Pellets wieder erstarrt und so zu verhältnismäßig festen Pellets oder Briketts führt, die eine wertvollen Brennstoff darstellen. Selbst wenn man annimmt, dass der Methanertrag von Stroh geringer ist als derjenige von anderen Gärsubstraten, ist die Energiebilanz der Biogasanlage als Ganzes äußert vorteilhaft, da zusätzlich zu dem erzeugten Strom und erzeugten Wärme ein wertvoller Brennstoff hergestellt wird. Nähere Ausführungen zur Energiebilanz, wenn aus Gärresten Brennstoffpellets oder Briketts hergestellt werden, finden sich in der Patentanmeldung PCT/EP2007/009809, deren Priorität in dieser Anmeldung beansprucht wird. Wenn eine derartige Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten vorgesehen ist, ist es wiederum vorteilhaft, den Durchsatz an Gärsubstrat zu erhöhen, also insbesondere den Gärzyklus zu verkürzen. Dies wird wiederum durch die eingangs genannten, gegenüber dem Stand der Technik vergrößerten PUTs möglich. Insofern besteht also ein technischer Zusammenhang zwischen den PUTs nach einer Weiterbildung der Erfindung und der Gärreste- pelletierung. Allerdings ist die Gärrestepelletierung auch bei Ausführungsformen mit herkömmlichen PUTs möglich.
Die Biogasanlage und die Einrichtung zur Herstellung von Brennstoffpellets können baulich vereinigt oder von einander räumlich getrennt sein.
Vorzugsweise umfasst die Biogasanlage eine Einrichtung zum Auswaschen oder Eluieren der Gärreste. Durch das Auswaschen und Eluieren werden für die Verbrennung schädliche Stoffe wie beispielsweise Chlor, Kalium, Schwefel und Stickstoff aus den Gärresten ausgewaschen. Dies führt zu einer verbesserten Qualität der Brennstoffpellets bzw. -briketts, so dass diese, gegebenenfalls mit weitergehender Konditionierung, Regelbrennstoffqualität erhalten können. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Einrichtung zum Auswaschen durch einen thermophil betriebenen Gärrestebunker gebildet, der unten näher beschrieben wird.
Vorzugsweise bestehen mindestens 30 Gewichts-% der Trockensubstanz der Frischmasse aus Stroh, und besonders vorzugsweise mindestens 75 Gewichts-%. Dabei kann es sich um reines Stroh handeln oder um Stroh, welches in Festmist enthalten ist, dessen Trockensubstanz zu ca. 75 % ebenfalls aus Stroh besteht. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung bestehen 30 bis 90 Gewichts-% der Trockensubstanz der Frischmasse aus reinem Stroh, 10 bis 70 Gewichts-% aus Festmist, und 0 bis 30 Gewichts-% aus anderen Substraten. Dadurch wird erreicht, dass die Gärrestepellets zum überwiegenden Anteil aus Stroh bestehen, aufgrund des relativ hohen Ligninanteils gut herzustellen sind und gut für eine Verfeuerung geeignet sind. Außerdem führt bereits der Harnstoff im Festmist zu einem ganz erheblichen chemischen Aufschluss des Strohs, wenn dieses mit dem Festmist vermischt wird.
Die Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren der Gärreste umfasst vorzugsweise eine Einrichtung zum mechanischen Dehydrieren desselben, insbesondere eine Schneckenpresse oder einen Dekanter. Mit einer derartigen Schneckenpresse ist es möglich, den Wassergehalt der Gärreste auf beispielsweise 45 % bis 55 % zu reduzieren. Der nach der Behandlung mit der Schneckenpresse verbleibende Wassergehalt ist insbesondere gering genug, dass er unter Verwendung der Abwärme der vorhandenen Gasmotoren auf einen für die Pelletierung ausreichenden Trockenheitsgrad getrocknet werden können. Ein weiterer Vorteil der mechanischen Dehydrierung besteht darin, dass das Wasser mit darin gelösten für die Verbrennung schädlichen Stoffen wie beispielsweise Chlor, Stickstoff, Schwefel, Kaliumchlorid und/oder Silikate aus den Gärresten ausgepresst wird. Würden die Gärreste nur durch eine thermische Trocknung dehydriert, würde ein weitaus größerer Anteil dieser schädlichen Stoffe in den Gärresten verbleiben.
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Dehydrierung und Pelletieren ferner eine Trocknungseinrichtung, bei der es sich vorzugsweise um einen konvektiven Bandtrockner handelt. Wie eingangs erwähnt wird die Trocknungseinrichtung vorzugsweise mit Abwärme von mindestens einem Gasmotor der Biogasanlage betrieben. Vorzugsweise ist der Bandtrockner ein Niedertemperaturbandtrockner, dessen Temperatur 180 °C, vorzugsweise 140 °C nicht übersteigt. Aufgrund der niedrigen Temperatur entstehen bei der Trocknung keine Dioxine und Furane. Mit einem solchen Bandtrockner lässt sich der Wassergehalt der Gärreste auf beispielsweise 7 bis 13 % verringern. Alternativ kann die Trocknungseinrichtung durch einen Trommeltrockner mit Kontakttrocknung gebildet werden, der ebenfalls mit Temperaturen arbeiten kann, die 180 °C, vorzugsweise 140 °C nicht übersteigen.
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren eine Einrichtung zum Zerkleinern der zumindest mechanisch ausgepressten und gegebenenfalls bereits getrockneten Gärreste. Vorzugsweise wird diese Einrichtung durch eine Hammermühle oder eine Strohmühle gebildet.
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren ferner eine Konditi- onierungseinrichtung, die geeignet ist, den zerkleinerten und zumindest teilweise dehydrierten und/oder getrockneten Gärresten eine oder mehrere der folgenden Zugaben beizumischen: Getreidemehl, Melasse, Stärke, Branntkalk, Dampf, Holzspäne und/oder Sägemehl. Durch die Beimischung von Getreidemehl und/oder Melasse und/oder Stärke wird die Festigkeit der Gärrestepellets erhöht. Durch Bedampf ung der zu pelletierenden Masse wird sie geschmeidig und lässt sich dadurch besser pelletieren. Eine Beimischung von Brandkalk verbessert das Ascheerweichungsverhalten der Pellets bei deren Verbrennung. Durch das Beimischen von Holzspäne und Sägemehl werden die Brenneigenschaften der Pellets weiter verbessert, insbe- sondere hinsichtlich Abbrennverhalten, Aschebildung und Emissionen, so dass die Pellets sogar in häuslichen Pelletheizungen verwendbar werden. Außerdem kann den zumindest teilweise dehydrierten und/oder getrockneten Gärresten ein Stickstoff bindendes Mittel, insbesondere ein Stickstoff reduzierendes Reduktionsmittel, Kalkhydrat, Ölpresskuchen, wie sie bei der Gewinnung von Raps- oder Kürbiskernöl entstehen, Kalzium, Magnesium und/oder Aluminium beigemischt werden. Die Ölpresskuchen erhöhen den Brennwert der Pellets, Kalzium, Magnesium und Aluminium können das Brennverhalten verbessern.
Schließlich umfasst die Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren vorzugsweise eine Pelletierpresse, die geeignet ist, die zerkleinerte und dehydrierte Gärmasse zu Pellets oder Briketts zu pressen.
Vorzugsweise sind zumindest einige der genannten Komponenten der Dehydrier- und Pelletiervorrichtung durch mechanische und/oder pneumatische Förderanlagen verbunden.
Eine wichtige Weiterbildung der Erfindung besteht in der Weise, wie der zusätzliche Verfahrensschritt des Aufschlusses von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen und/oder die Dehydrierung und Pelletierung von Gärresten in den Betrieb der Biogasanlage integriert werden. Die Einrichtung zur Pelletierung und die Einrichtung zum Aufschluss von beispielsweise Stroh lohnt sich wirtschaftlich vor allem dann, wenn der Durchsatz der Anlage, bzw. des Biomasse-Kraftwerks hoch ist. Gegenwärtig bekannte Biomasse-Kraftwerke zur Feststoffvergärung (Biogasanlagen) sind jedoch im Gegenteil als landwirtschaftliche Anlagen meistens sehr klein. Sie verfügen über zwei bis sechs kleinere Fermenter und erreichen eine effektive elektrische Leistung von lediglich 100 bis 700 kW. Dies liegt zum einen daran, dass die Trockenfermentation gemeinhin als noch nicht marktreif angesehen wird, zum andern aber auch an der gestuften Mindestvergütung des EEG für eingespeisten Strom aus Stroh- Anlagen, die bei der Überschreitung einer Grenze von 500 kW um bis zu 15 % abfällt. Außerdem spricht derzeit gegen eine größere Auslegung von Biogasanlagen mit Trockenfermentation, dass der erforderliche Nachschub an Gärsubstrat gemäß den Anforderungen der Finan- ciers über Jahre im voraus gesichert sein muss, und dass sich die Betreiber, bei denen es sich typischerweise um Landwirte handelt, auf die von ihnen selbst erzeugbaren nachwachsenden Rohstoffe verlassen wollen. Durch die beschriebene Biogasanlage und das beschriebene Verfahren nach einer Weiterbildung der Erfindung, die auch die Verwendung von beispielsweise Festmist und Stroh wirtschaftlich macht, kann die Versorgung mit Gärsubstrat jedoch auch für weit größere Anlagen sichergestellt werden, da beispielsweise Stroh beim Getreideanbau in weit größeren Mengen anfallt, als es derzeit benötigt wird, und da es sich mit entsprechender (Groß-)Technik auch über größere Strecken verhältnismäßig wirtschaftlich transportieren lässt. Andererseits lohnen sich die Investitions- und Betriebskosten für eine Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten und für eine Einrichtung zum Aufschließen des Strohs umso mehr, je größer der Durchsatz der Biogasanlage ist. Ein inhaltlicher Zusammenhang zwischen der Pelletierung von Gärresten und der Möglichkeit zum Aufschluss des Strohs einerseits und der Größe der Biogasanlage andererseits besteht insofern, als die Einrichtungen zur Pelletierung von Gärresten und zum Aufschluss des Strohs wesentlich dazu beiträgt, die Versorgung auch größerer Biogasanlagen mit geeignetem Gärsubstrat, nämlich Festmist und/oder Stroh sicherzustellen, und andererseits die Größe der Biogasanlage und die Verwendung der preisgünstigen Substrate Festmist und Strohs die Investition für die Einrichtungen zur Pelletierung und zum Aufschluss im besonderen und das große Biomasse-Kraftwerk als ganzes erst wirtschaftlich macht.
Bei einer bisher nicht bekannten Größe von Biogasanlagen mit beispielsweise 15 bis 30 großen Garagenfermentern und einer Leistung von über 5 MW, sie sie nachstehend beschrieben ist, muss der Betrieb der Biogasanlage, und insbesondere der Transport des Gärsubstrats und der Gärreste effizient gestaltet werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die oben beschriebene Gärrestepelletierung und/oder den oben beschriebenen Aufschluss von ligninhalti- gen und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen in den Betriebsablauf der Biogasanlage zu integrieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einrichtung zum chemischen, mechanischen und/oder thermischen Aufschluss von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen in einem Anliefer- und Verladebereich der Biogasanlage untergebracht. Der Anlieferund Verladebereich umfasst vorzugsweise stationäre Fördertechnik, die geeignet ist, Frischmasse aus dem Anliefer- und Verladebereich zu einem Fermentervorplatz zu fordern, von dem aus eine Mehrzahl von Fermentern des Garagentyps zugänglich ist. Während bei herkömmlichen Biogasanlagen mit Garagenfermentern die Frischmasse und die Gärreste komplett mit einem Radlader transportiert werden, ist nach dieser Weiterbildung stationäre För- dertechnik vorgesehen, durch die sich auch große Mengen an Frischmasse effizient zum Fer- mentervorplatz transportieren lassen, um von dort in die Fermenter eingebracht zu werden. Auch gestattet eine derartige stationäre Fördertechnik es, die gesamte Biogasanlage einzuhau- sen, wodurch eine Geruchsbelästigung der Umwelt vermieden wird und es möglich wird, die Biogasanlage auch in der Nähe von Wohngebieten und in Gewerbegebieten zu errichten und zu betreiben.
Wenn die Biogasanlage komplett eingehaust ist, stellt der Anliefer- und Verladebereich gewissermaßen eine Schnittstelle zwischen dem eingehausten Innenbereich der Anlage und dem Außenbereich dar, und ist somit in einem äußeren Abschnitt der Anlage angeordnet. Der Fermentervorplatz hingegen ist aus logistischen Gründen zentral in der Anlage angeordnet. Durch die stationäre Fördertechnik kann die Frischmasse bzw. das Gärsubstrat vom Anlieferund Verladebereich zum Fermentervorplatz gebracht werden, ohne dass Transportfahrzeuge dazu benötigt würden, die Abgas innerhalb des Einhausungsbereichs erzeugen würden und die außerdem die Betriebskosten erhöhen würden. Vorzugsweise herrscht im Anliefer- und Verladebereich ein leichter Unterdruck, so dass auch beim Anliefern von Frischmasse und beim Verladen von Gärresten nur wenig Luft nach außen dringt, und somit die Geruchsbelästigung minimal ist.
Vorzugsweise befindet sich in dem Anliefer- und Verladebereich mindestens ein eingehauster Anlieferbunker für Frischmasse. Ferner sind vorzugsweise erste Fördermittel vorgesehen, die geeignet sind, Frischmasse aus dem mindestens einen Anlieferbunker für Frischmasse zu einem Frischmassebunker zu befördern. Diese ersten Fördermittel können beispielsweise Förderschnecken, Elevatoren und Förderbänder umfassen, auf denen die Frischmasse aus verschiedenen Anlieferbunkem zum Frischmassebunker befördert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Frischmasse bereits dadurch, dass sie aus unterschiedlichen Anlieferbunkern auf ein und denselben Haufen gegeben wird, durchmischt wird, so dass ein späteres Durchmischen der Frischmasse sich erübrigt, bzw. nicht mehr so intensiv vorgenommen werden muss. Bei dieser beschriebenen Frischmasse handelt es sich nicht um das Stroh, das aufgeschlossen werden müsste, sondern um zusätzliche Frischmasse, wie sie in bisher bekannten Biogasanlagen mit Feststoffvergärung verwendet werden.
Ferner umfasst der Anliefer- und Verladebereich vorzugsweise zweite Fördermittel, insbesondere ein Schubschild, welche geeignet sind, die Frischmasse durch den Frischmassebunker hindurch in Richtung auf den Fermentervorplatz zu befördern. Der Frischmassebunker hat dabei eine zweifache Funktion: zum einen dient er als Transportweg vom Anlieferbereich zum Fermentervorplatz, zum anderen dient er als Zwischenspeicher für Frischmasse. Wichtig ist dabei, dass die Frischmasse, die als erstes in den Frischmassebunker eingebracht wurde, diesen auch als erstes verlässt. Das bedeutet, dass die Frischmasse, die auf den Fermentervorplatz geliefert wird, stets etwa gleich alt und damit gleich stark vorhydrolisiert ist. Damit ergibt sich eine Substrat-Konstanz, die für die anschließende Vergärung vorteilhaft ist.
Außerdem umfasst der Anliefer- und Verladebereich in einer vorteilhaften Weiterbildung eine Entladungsstelle für Stroh, und insbesondere für Stroh in Ballenform. In der Entladungsstelle ist vorzugsweise ein Kran vorgesehen, der geeignet ist, Ballenmaterial effizient zu greifen und zu befördern.
In dem Anliefer- und Verladebereich ist vorzugsweise wie oben erwähnt eine Einrichtung zum chemischen, mechanischen und/oder thermischen Aufschluss von Stroh vorgesehen, die von einer der eingangs beschriebenen Arten ist. Insbesondere kann die Einrichtung zum Aufschluss wie oben beschrieben so ausgebildet sein, dass die Ballenform erhalten bleibt, so dass das durch Aufschluss vorbehandelte Stroh in Ballenform von dem Anliefer- und Verladebereich zum Fermentervorplatz transportiert werden kann, was den Transport und die Einbringung in die Fermenter sehr effizient macht.
Vorzugsweise sind dabei dritte Fördermittel, insbesondere Rollenförderer oder Schubförderer vorgesehen, die geeignet sind, einzelne Ballen oder Pakete von Ballen entlang eines Ballenkanals zum Fermentervorplatz zu befördern.
Bei der vorliegenden vorteilhaften Weiterbildung wird also zwischen losem Frischmaterial und Ballenmaterial unterschieden. Auch das Ballenmaterial wird durch die dritten Fördermittel und den Ballen-Kanal auf sehr effiziente Weise von der Peripherie zum Fermentervorplatz transportiert, was einen hohen Durchsatz bei sehr geringen Betriebskosten ermöglicht. Vorzugsweise ist an dem dem Fermentervorplatz nahen Ende des Ballen-Kanals ein Umsetzer angeordnet, der geeignet ist, Pakete von Ballen aus dem Ballen-Kanal zu entnehmen und an einen Radlader oder Gabelstapler als Paket zu übergeben. Wie unten anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wird, ist es vorteilhaft, in einem jeden Fermenter zuunterst eine Schicht aus Ballenmaterial einzubringen. Dies lässt sich nach dieser Weiterbildung der Erfin- dung wiederum besonders effizient und schnell erledigen, wenn bereits geeignete Pakete von Ballen, beispielsweise Pakete aus acht Ballen, an den Radlader oder Gabelstapler übergeben werden, die dann so, wie sie sind, im Fermenter abgeladen werden können.
Vorzugsweise sind der Anlieferbunker, der Frischmassebunker und/oder der Ballenkanal beheizbar, und vorteilhafterweise mittels Abwärme, welche von einem oder mehreren Gasmotoren erzeugt wird. Durch die Vorerwärmung der Frischmasse werden Temperaturverluste ausgeglichen, die bei der Gärmassenauffrischung am Altmaterial entstehen. Dadurch wird das Wiedereinsetzen der Biogasbildung nach der Gärmassenauffrischung beschleunigt. Ferner wird dadurch die oben beschriebene schwach aerobe Vorhydrolyse möglich, die die Zeit bis zum vollständigen Ausgären der Gärmasse verkürzt und die Anlagenleistung (den Substratdurchsatz) und damit die Wirtschaftlichkeit erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Gärrestebunker vorgesehen, der vom Fermenter- vorplatz aus zum Einbringen von Gärresten zugänglich ist. Der Gärrestebunker enthält vorzugsweise stationäre Fördermittel, die geeignet sind, Gärreste durch den Gärrestebunker hindurch abzutransportieren. In einer vorteilhaften Weiterbildung werden diese stationären Fördermittel durch Förderschnecken gebildet, die an den Enden des Gärrestebunkers angeordnet sind. Der Gärrestebunker ist vorzugsweise so bemessen, dass er das zu erwartende Aufkommen an Gärresten von mindestens zwei Tagen fasst.
Der Gärrestebunker nach der genannten Weiterbildung der Erfindung hat eine vierfache Funktion. Erstens dient er als Zwischenspeicher für Gärreste, und zweitens stellt er die Transportvorrichtung für Gärreste von dem zentralen Fermentervorplatz zur Peripherie bereit. Durch die ausreichende Größe des Gärrestebunkers wird erreicht, dass die Gärreste mindestens zwei Tage zwischengelagert werden können, so dass sie nicht an Wochenenden entnommen werden müssen. Als dritte Funktion findet in dem Gärrestebunker eine Nachvergärung statt, und deshalb ist er an das Biogassystem angeschlossen. So wird aus den Gärresten weiteres Biogas gewonnen, welches bei einer einfacheren Konstruktion verloren ginge. Als vierte Funktion bildet der Gärrestebunker eine Einrichtung zum Auswaschen der Gärreste. Aufgrund des hohen Wassergehalts im Gärrestebunker werden für die Verbrennung schädliche Stoffe wie Chlor, Stickstoff, Schwefel, Kaliumchlorid und Silikate aus den Gärresten ausgewaschen, wodurch die Qualität der Gärrestepellets als Brennstoff erhöht wird. Am Eintrittsende des Gärrestebunkers ist vorzugsweise ein Schütttrog für Gärreste angeordnet. Die Gärreste können somit direkt vom Fermentervorplatz in den Schütttrog geschüttet werden; sie fließen danach durch die Entnahme am anderen Ende automatisch zur Peripherie, wo sie dehydriert und zu Pellets verarbeitet werden.
In einem einfachen Verfahren zum chemischen Aufschluss von Stroh wird das Stroh bereits Tage vor der Einbringung in den Fermenter mit anderem Frischmaterial, vorzugsweise mit Festmist vermischt. Der im Festmist vorhandene Harnstoff kann dann wiederum das Lignin anlösen und die Cellulose und das Arabinoxylan für die Hydrolyse zugänglich machen. Wichtig ist hierbei, dass zusätzlich bzw. separat bereitgestelltes Stroh durch den im Festmist enthaltenen Harnstoff chemisch aufgeschlossen wird. Die Vermischung des losen Strohs mit dem Festmist würde dabei typischerweise mit größerem zeitlichen Abstand vor der Einbringung in den Fermenter stattfinden, vorzugsweise einige Tage. In einer sehr einfachen Ausgestaltung der Erfindung können Schichten aus Festmist und Schichten aus Stroh ohne zeitlichen Vorlauf abwechselnd im Fermenter aufgebaut werden, wobei gegebenenfalls auch Schichten aus anderen, nicht stark lignifizierten Rohstoffe dazwischen liegen können. Dadurch kann der Harnstoff der oben liegenden Festmistschicht mit dem Perkolat in die Schicht mit dem lignin- haltigen Stroh eindringen und die flächigen Ligninstrukturen zumindest teilweise auflösen. Auch ist es möglich, loses ligninhaltiges Material mit den Gärresten und gegebenenfalls weiteren nachwachsenden Rohstoffen zu vermischen. Dabei sorgt das saure Perkolat dafür, dass sich die flächigen Ligninstrukturen zumindest teilweise auflösen und das Material Biogas liefert, wenn auch nicht mit dem Ertrag, der sich durch die anderen oben beschriebenen Verfahren zum Aufschluss, insbesondere der Sattdampfbehandlung und/oder der Vermahlung, erzielen lassen.
Vorzugsweise wird das Animpfmaterial, das zusammen mit der Frischmasse wieder in den Fermenter kommt, vor der Vermischung mittels einer mechanischen Presse, wie beispielsweise einer Schneckenpresse, durchgewalkt und ausgepresst, wodurch das Material zumindest teilweise mechanisch aufgeschlossen wird und außerdem gegebenenfalls noch eingebundene Nährstoffe für die anaerobe, bakterielle Fermentation zugänglich gemacht werden. Die Schneckenpresse kann dabei mobil ausgestaltet sein, beispielsweise auf einem Tieflader angeordnet sein, so dass sie auf dem Fermentervorplatz zu dem betreffenden Fermenter gefahren werden kann. Vorzugsweise wird eine Aufkonzentration von Schadstoffen im Perkolat dadurch verhindert, dass ein Teil des im Umlauf befindlichen Perkolats aus dem Perkolatkreislauf abgelassen wird. Dies geschieht vorzugsweise regelmäßig. Dabei erfolgt das Ablassen eines Teils des Perkolats vorzugsweise über die Perkolatringleitung, wobei der Teil des Perkolats in den Gärrestebunker und/oder in einen Tank entlassen wird, aus dem das Perkolat anschließend entsorgt wird.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden auf das in den Zeichnungen dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel Bezug genommen, das anhand spezifischer Terminologie beschrieben ist. Es sei jedoch daraufhingewiesen, dass der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll, da derartige Veränderungen und weitere Modifizierungen an der gezeigten Biogasanlage und dem gezeigten Verfahren sowie weitere Anwendungen der Erfindung, wie sie darin aufgezeigt sind, als übliches derzeitiges oder künftiges Fachwissen eines zuständigen Fachmanns angesehen werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, nämlich:
Fig. 1 einen Aufriss eines Biomassekraftwerks nach einer Weiterbildung der Erfindung von
Westen betrachtet,
Fig. 2 einen Aufriss des Biomassekraftwerks von Fig. 1 von Norden betrachten, Fig. 3 einen Aufriss des Biomassekraftwerks von Fig. 1 von Süden betrachtet, Fig. 4 einen Aufriss des Biomassekraftwerks von Fig. 1 von Osten betrachtet, Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Biomassekraftwerks von Fig. 1 in westlicher Ansicht, Fig. 6 einen Grundriss des Erdgeschosses des Biomassekraftwerks von Fig. 1, Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Grundriss von Fig. 6, der eine Strom- und
Wärmeerzeugungsanlage zeigt, Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Grundrissdarstellung von Fig. 6, der einen
Anliefer- und Verladebereich zeigt,
Fig. 9 einen Grundriss des Obergeschosses des Biomassekraftwerks von Fig. 1 , Fig. 10 einen Querschnitt durch einen Garagenfermenter des Biomassekraftwerks von Fig. 1 bis 9,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Kanalstruktur, die innerhalb eines PUT ausgebildet ist,
Fig. 12 eine schematische perspektivische Darstellung eines PUT mit Füllkörpern zur An- siedlung von methanogenen und acetogenen Bakterien, Fig. 13 eine schematische Querschnittsdarstellung eines PUT mit Siedlungsstrukturen für methanogene und acetogene Bakterien und mit Siedlungsstrukturen für Schwefelbakterien,
Fig. 14 eine weitere schematische Querschnittsdarstellung eines PUT mit Siedlungsstrukturen für methanogene und acetogene Bakterien und mit Siedlungsstrukturen für Schwefelbakterien,
Fig. 15 eine schematische Darstellung eines PUT mit den zugeordneten Fermentern und Leitungen,
Fig. 16 eine schematische Darstellung des Fermentervorplatzes und der Fermenter des
Grundabschnitts der Biogasanlage von Fig. 1 bis 9, in der die Gärmassenauffrischung illustriert wird und
Fig. 17 ein Blockdiagramm wesentlicher Komponenten einer Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten.
Im Folgenden wird ein Biomassekraftwerk (BMKW) 10 als Ausführungsbeispiel einer Biogasanlage nach einer Weiterbildung der Erfindung im Detail beschrieben. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 4 vier Außenansichten des BMKW 10 und Fig. 5 einen Querschnitt desselben. In Fig. 6 ist der Grundriss des Erdgeschosses des BMKW 10 gezeigt. Fig. 7 zeigt einen vergrößerten Teilbereich des Grundrisses von Fig. 10, in dem eine Strom- und Wärmeerzeugungsanlage des BMKW gezeigt ist. Fig. 8 zeigt einen anderen Teilausschnitt des Grundrisses von Fig. 6, in dem ein Anliefer- und Verladebereich vergrößert dargestellt ist. Fig. 9 zeigt eine Grundrissansicht des Obergeschosses des BMKW 10.
Unter Bezugnahme auf den Grundriss von Fig. 6 gliedert sich das BMKW 10 in einen Grundabschnitt 12 und einen Ausbauabschnitt 14. Der Grundabschnitt 12 umfasst 18 Fermenter des Garagentyps, die in zwei Reihen angeordnet sind, in der Darstellung von Fig. 5 in einer nördlichen und einer südlichen Reihe. Zwischen den beiden Reihen von Fermentern 16 befindet sich ein Fermentervorplatz 18, zu dem sich die Tore 20 der Fermenter 16 öffnen. Man beachte, dass der Übersicht halber nicht alle Fermenter 16 und Fermentertore 20 in den Figuren mit Bezugszeichen versehen sind.
Ferner umfasst der Grundabschnitt 12 eine Strom- und Wärmeerzeugungsanlage 22, die in Fig. 7 vergrößert dargestellt und unten näher im Detail beschrieben wird. Außerdem umfasst der Grundabschnitt 12 einen Anliefer- und Verladebereich 24, der in Fig. 8 vergrößert dargestellt ist und ebenfalls unten näher beschrieben wird.
Wie den Fig. 1 bis 6 zu entnehmen ist, ist der gesamte Grundabschnitt 12 durch eine Hallenstruktur eingehaust, zu der insbesondere ein Fermentervorplatz (FVP)-Hallenabschnitt 26 und ein Anliefer- und Verladebereichshallenabschnitt 28 gehört, wie insbesondere in Fig. 1 , 4 und 5 gut zu erkennen ist. Die gesamte Hallenkonstruktion oder Einhausung des Grundabschnitts 12 wird durch eine große zentrale Entlüftungsanlage entlüftet, so dass im Inneren der Hallenkonstruktion stets ein leichter Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck herrscht.
Der Ausbauabschnitt 14 besteht im Wesentlichen aus 11 zusätzlichen Fermentern 16' und einer Verlängerung des FVP-Hallenabschnitts 26. Der Ausbauabschnitt 14 dient dazu, bei Bedarf bis zu 11 zusätzliche Fermenter 16' vorzusehen. Das bedeutet, dass das BMKW 10 zunächst ohne den Ausbauabschnitt 14 gebaut und in Betrieb genommen würde. Im Betrieb stellt sich dann heraus, ob die vorhandenen 18 Fermenter 16 des Grundabschnitts 12 ausreichend Biogas erzeugen, um die vier Gasmotoren (nicht gezeigt), die für das BMKW 10 bestimmt sind, unter Volllast mit Gas zu versorgen. Falls dies nicht der Fall ist, kann die entsprechende Anzahl Fermenter 16' im Ausbauabschnitt 14 ergänzt werden, der somit auch kleiner ausfallen kann als in Fig. 6 gezeigt. Mit anderen Worten hat das BMKW 10 einen mo- dularen Aufbau, der zum Erreichen einer optimalen Endkonfiguration vorteilhaft ist, weil der exakte Biogasertrag von einer Vielzahl von Faktoren, darunter die Beschaffenheit und Verfügbarkeit der Frischmasse, abhängt und nicht theoretisch exakt vorhersagbar ist.
Die nördliche und die südliche Fermenterreihe sind durch eine Technikbrücke 30 verbunden, die insbesondere in Fig. 5, 6 und 9 zu sehen ist. Die Technikbrücke 30 überspannt den FVP 18 in einer Höhe, die gestattet, dass Radlader, von denen in Fig. 5 zwei exemplarisch gezeigt sind, unter ihr selbst mit voll ausgefahrener Ladeschaufel hindurch fahren können, ohne dass sie die Technikbrücke berühren und beschädigen können.
Unter Bezugnahme auf Fig. 9 umfasst das Obergeschoß des BMKW 10 drei Folien- Gasspeicher 32 im Grundabschnitt 12 und zwei weitere Foliengasspeicher 32' im Ausbauabschnitt 14. Die Foliengasspeicher 32 sind in den Querschnittsansichten von Fig. 5 und 15 gut zu erkennen. Sie nehmen auf nachfolgend näher beschriebene Weise das Biogas auf, welches in den Fermentern 16 bzw. 16' erzeugt wird.
Ferner umfasst das Obergeschoß fünf Perkolatumlauftanks (PUT) 34 im Grundabschnitt 12 und vier PUTs 34' im Ausbauabschnitt 14, die ebenfalls in den Querschnittsansichten von Fig. 5 gut zu sehen sind. Ein PUT 34 ist jeweils oberhalb von drei Fermentern 16 angeordnet und empfängt von ihnen Perkolat, welches am Boden der Fermenter gesammelt und in den PUT 34 gepumpt wird. Mit dem Begriff „Perkolat" bezeichnet man den flüssigen, gülleähnlichen Bestandteil der Gärsubstanz.
Ferner befindet sich im Obergeschoß ein Abgas- Abkühlraum 31, ein südlicher Technikraum 36 und ein nördlicher Technikraum 38, die durch die Technikbrücke 30 miteinander verbunden sind. Im FVP -Hallenabschnitt 26 und im Anliefer- und Verladebereichshallenabschnitt 28 sind ferner Lichtbänder 40 angeordnet.
Nachdem ein grober Überblick über die Bestandteile des BMKW 10 gegeben wurde, werden im Folgenden die einzelnen Abschnitte und Komponenten sowie deren Betriebsweise im Detail beschrieben.
1. Fermentervorplatz
Der Fermentervorplatz (FVP) 18 ist im Zentrum den BMKW 10 angeordnet. Er dient als Transportweg für Frischmasse zu den jeweiligen Fermentern 16, 16' bzw. von Gärrestesubstanz aus den Fermentern 16, 16'. Außerdem dient er als Anmischfläche, auf der der Inhalt eines Fermenters ausgebreitet wird, von dem etwa ein Fünftel bis ein Drittel als Gärrest entnommen wird und zum Ausgleich dieser Entnahme und des durch die Vergasung entstehenden Masseverlusts etwa ein Drittel durch Frischmasse ergänzt und mit der alten Gärmasse vermischt wird. Diese Arbeit kann auf dem FVP 18 von einem großen Radlader verrichtet werden, wie er in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. In der Mitte des FVPs 18 befindet sich eine mit einem Gitterrost versehene Ablaufrinne, in die Sickersäfte und freigesetztes Perkolat fließen. Auf der Höhe der Technikbrücke 30 hat die Ablaufrinne einen Sammelschacht (nicht gezeigt) aus dem die anfallenden Flüssigkeiten über eine Perkolat-Ringleitung (nicht gezeigt) zu einem der PUTs 34 gefordert werden.
2. Anliefer- und Verladungsbereich
Der Anliefer- und Verladungsbereich 24 ist in Fig. 8 im Grundriss vergrößert dargestellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird, was die Anlieferung betrifft, zwischen loser Frischmasse und Strukturfrischmasse bzw. Ballenfrischmasse unterschieden. Für die lose Frischmasse sind in der gezeigten Ausführungsform vier Anlieferbunker 42 vorgesehen, die durch den Anliefer- und Verladebereichshallenabschnitt 28 eingehaust sind. Ein LKW kann rückwärts in den eingehausten Anlieferbunker rangieren und die Frischmasseladung dort in die Anlieferbunker 42 abkippen oder abschieben. Da im gesamten Anliefer- und Verladebereich 24 ein leichter Unterdruck herrscht, treten kaum störende Gerüche aus der Einhausung nach außen aus. Jeder Anlieferbunker 42 hat einen nach unten konisch zulaufenden Boden, an dessen tiefster Stelle eine oder mehrere Doppelforderschnecken (nicht gezeigt) vorgesehen sind, die die Frischmasse horizontal bis zu einem Becher-Elevator (nicht gezeigt) fordert, welcher die Frischmasse auf ein Förderband 44 befördert, oder direkt auf ein tiefer gelegenes Förderband.
Von dem Förderband 44 wird die Frischmasse in einen Frischmassebunker 46 fallengelassen. Da die Frischmasse aus vier oder mehr verschiedenen Bunkern auf demselben Förderband 44 befördert wird und auf denselben Haufen in dem Frischmassebunker 46 geworfen wird, wird die Frischmasse automatisch durchmischt.
Der Frischmassebunker 46 ist eine längliche Kammer, die den Anliefer- und Verladebereich 24 mit dem Fermentervorplatz 18 verbindet, wie insbesondere in Fig. 6 zu sehen ist. Der Frischmassebunker 46 hat eine Fußboden- und/oder Wandheizung, mit der die Frischmasse bereits auf eine Temperatur von 420C erwärmt wird, damit die Gärmasse innerhalb eines Fermenters 16, 16', welche durch die Frischmasse ergänzt wird, durch diese nicht abgekühlt wird, so dass der Gärprozess nach Verschließen des Fermenters 16 wieder schnell startet und ggf. auch bereits eine schwach aerobe Vorhydrolyse stattfinden kann, die die Gärzeit verkürzt und die Anlagenleistung (Durchsatz an Gärsubstrat) sowie die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht. Der Frischmassebunker 46 hat eine dreifache Funktion. Zum einen dient er als Zwischenoder Pufferspeicher für lose Frischmasse. Zum anderen dient er als Transportweg zwischen dem Anliefer- und Verladebereich 24, also der Peripherie des BMKWs 10, und dem zentral gelegenen Fermentervorplatz 18. Zum Transport ist in dem Frischmassebunker 46 ein Schubschild bzw. Schieber angeordnet (nicht gezeigt) der jeweils neu von oben eingeschüttete lose Frischmasse in Richtung auf den Fermentervorplatz 18 schiebt. Dann wird der Schieber zurückgefahren, um Platz für neue Frischmasse zu machen. Durch diesen Schiebemechanismus wird erreicht, dass die Frischmasse ungefähr in der gleichen Reihenfolge, in der sie am Eingang in den Frischmassebunker 46 eingeworfen wurde, auch auf der Seite des Fermenter- vorplatzes 18 aus ihm herausgeschoben wird. Dies bedeutet, dass die Frischmasse, die zum Fermentervorplatz 18 gelangt, immer ungefähr gleich alt und daher von konstanter Beschaffenheit ist, was für die anschließende Vergärung vorteilhaft ist. Schließlich findet im Frischmassebunker eine schwach aerobe Vorhydrolyse statt, bei der in der Frischmasse enthaltene Säuren beginnen, autohydrolytisch zu wirken.
Ferner umfasst der Anliefer- und Verladebereich 24 einen Abschnitt für das Anliefern und Transportieren von Struktur- bzw. Ballenmaterial, insbesondere für Stroh. Dieser Abschnitt zum Anliefern und Transportieren von Ballenmaterial umfasst einen Bereitstellungsraum 48, einen Ballen- Anlieferungsraum 50, einen Aufschlussbereich 52 und ein Zwischenlager 54. Im Folgenden wird dieser Bereich des Anliefer- und Verladebereichs 24 unter Bezugnahme auf Stroh als stark lignifiziertes, ballenförmiges Strukturmaterial beschrieben, aber es versteht sich, dass dieser Abschnitt auch zur Anlieferung, Bearbeitung und den Weitertransport von anderem ballenförmigen Strukturmaterial verwendet werden kann.
Ein Kran (nicht gezeigt) ist an Laufschienen so angebracht, dass er Strohballen in jedem der Räume 48 bis 54 aufgreifen und ablegen kann. Die Strohballen werden im Strohanlieferungsraum 50 angeliefert und von dem Kran (nicht gezeigt) effizient in das Zwischenlager 54 transportiert. Bevor das Stroh zum Fermentervorplatz 18 befördert wird, wird es in dem Aufschlussbereich 52 vorbehandelt, nämlich aufgeschlossen. Der Aufschluss des Strohs ist nötig, da das Stroh stark lignifϊziert ist, und die Bakterien im Fermenter 16 aufgrund der ligninkrustierten Cellulose nur sehr schlecht an die vom Lignin eingeschlossenen Nährstoffe gelangen. In dem Aufschlussbereich 52 kann das Stroh je nach Ausfuhrungsform des BMKW 10 auf unterschiedliche Arten aufgeschlossen werden. Beispielsweise kann das Stroh che- misch aufgeschlossen werden, indem es in einem Behälter eingeweicht wird, welcher Wasser, eine Wasser-Laugen-Lösung oder eine Wasser-Säure-Lösung enthält. Durch die Einweichung wird das Lignin, das die Cellulose weitgehend eingeschlossen hat, teilweise aufgelöst. Nach der Entnahme aus dem Behälter ist die Cellulose nicht mehr hinter einer Ligninkruste verborgen, sondern für die Hydrolyse und die Bakterien zugänglich. Dadurch wird das Stroh, welches in herkömmlichen Trockenvergärungsanlagen allenfalls als Strukturmaterial verwendet wird, zu einem wertvollen Gärsubstrat, welches zur Biogasentwicklung wesentlich beiträgt.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Stroh in dem Aufschlussbereich 52 aber auch auf andere Weise aufgeschlossen werden, beispielsweise mechanisch unter Verwendung einer Hammermühle oder Strohmühle oder indem es einem Thermodruck ausgesetzt wird, d.h. bei hohem Druck von beispielsweise 20 bis 30 bar für fünf bis zehn Minuten auf 180°C bis 250°C erhitzt wird. Dabei weicht das Lignin auf. Nach dem Erkalten des Strohs erstarrt das Lignin zwar wieder, jedoch in Form sehr kleiner Kügelchen mit Zwischenräumen dazwischen, die den Weg für die autohydrolytischen, organischen Säuren und für die anaeroben Bakterien zu den Nährstoffen des Strohs freigeben. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine Erweiterung der Thermodruckbehandlung, bei der der Druck in dem entsprechenden Behälter plötzlich reduziert wird, wodurch das Wasser in den Strohstrukturen verdampft und sich sehr rasch ausdehnt. Dabei werden die Ligninstrukturen zerrissen und die Nährstoffe für die anaeroben Bakterien freigelegt.
Im Bereitstellungsraum 48 ist ein Rollenförderer 56 vorgesehen, auf den einzelne Strohballen und/oder Strohballenpakete durch den Kran (nicht gezeigt) aufgelegt werden, und der die Strohballen durch einen Strohkanal 58, der parallel zum Frischmassebunker 46 angeordnet ist, zum Fermentervorplatz 18 befördert (siehe Fig. 6).
Wie der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, wird sowohl die lose Frischmasse als auch die ballenförmige Frischmasse durch stationäre Fördertechnik von dem Anliefer- und Verladebereich 24 zum Fermentervorplatz 18 befördert. Insbesondere stellen dabei der Frischmassebunker 46 und der Strohkanal 58 die Verbindung zwischen dem zentralen Fermentervorplatz 18 und dem peripheren Anliefer- und Verladebereich 24 bereit, und dieser Transport geschieht vollständig im eingehausten BMKW 10. Der Transport mit der stationären Fördertechnik ist für hohe Durchsätze geeignet und insbesondere schneller, Platz sparender und kos- tengünstiger als eine Anlieferung mit Radladern. Wie Fig. 6 zu entnehmen ist, enden der Strohkanal 58 und der Frischmassebunker 46 an einer zentralen Stelle des Fermentervorplat- zes 18, so dass die Wege zwischen dem fermentervorplatzseitigen Ende des Frischmassebun- kers 46 bzw. Strohkanals 58 und dem zu beliefernden Fermenter 16 im allgemeinen kurz sind.
Wie oben erwähnt wurde, ermöglicht der Aufschluss des Strohs im Aufschlussbereich 52 es, Stroh trotz seines hohen Ligningehaltes als Gärsubstrat zu verwenden. Dies ist äußerst vorteilhaft, weil Stroh bei der Getreideproduktion ohnehin anfällt, und gar nicht ausreichend Verwendung für dieses besteht. Da das BMKW 10 für nachwachsende Rohstoffe konzipiert ist, bietet es sich an, in der Umgebung des BMKW 10 speziell zur Verwendung im BMKW 10 geeignete Rohstoffe anzubauen, die jedoch im allgemeinen nicht für die Ernährung oder als Futtermittel bestimmt sind. Dies stellt jedoch einen gewissen Ziel-Konflikt dar, weil stets ein bestimmter Anteil von den begrenzten zur Verfügung stehenden Flächen für die Nahrungsproduktion reserviert ist. Die Verwendung von Stroh als Gärsubstrat stellt eine sehr attraktive Lösung dar, da Stroh, welches bei der Getreideproduktion als Reststoff anfällt, die gleichzeitige Produktion von Nahrungsmitteln und kraftwerkstauglicher Biomasse erlaubt. Außerdem lassen sich aus strohhaltigen Gärresten wertvolle Brennstoffpellets erzeugen, wie unten näher erläutert wird.
Stroh hat aber noch einen weiteren Vorteil. Im Allgemeinen ist die Füllhöhe in Fermentern durch den Druck begrenzt, der sich am Fermenterboden ergibt: Dieser Druck muss stets so niedrig sein, dass das Gärsubstrat noch durchlässig für Perkolat ist. Wenn man hingegen, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, in der untersten Lage eines jeden Fermenters 16 eine Schicht aus Strohballen einbringt, kann auf diese Schicht noch die gesamte übliche Füllhöhe an Gärsubstanz geschichtet werden, da die Strohballenschicht auch bei dem dann auftretenden Druck noch durchlässig für Perkolat ist. Diese unterste Strohschicht stellt also eine zusätzliche Menge an Gärsubstrat dar, die in einem Fermenter verwendet werden kann, so dass die Anlagenleistung (Raumleistung gemessen in neuem Substrat pro Fermenter und Tag) erheblich gesteigert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Strohballen in Paketen aus acht Strohballen auf den Rollenförderer 56 aufgelegt, die zwei Ballen breit und vier Ballen hoch sind. Diese Pakete werden als Ganzes durch den Strohkanal 58 transportiert und an dessen Ende am Fermentervoφlatz 18 von einem Umsetzer (nicht gezeigt) abgehoben und an einen Radlader oder Gabelstapler übergeben, der die Pakete ebenfalls als Ganzes oder in 2 Teilen empfangt und zum Fermenter bringt. Aus diesen Paketen kann relativ einfach und zügig die besagte unterste Strohballenschicht aufgebaut werden.
Wie weiter in Fig. 8 zu sehen ist, ist ein Gärrestebunker 60 vorgesehen, der sich parallel zum Frischmassebunker zwischen dem Fermentervorplatz 18 und dem Anliefer- und Verladebereich 24 erstreckt. Der Gärrestebunker 60 hat an seinem dem Fermentervorplatz zugewandten Ende ein Schütttrog 62 für Gärreste, die den Eingang in den Gärrestebunker 60 bildet. In diesen Schütttrog 62 werden Gärreste von einem Radlader gekippt. Von dort werden sie mittels einer Förderschnecke in den Gärrestebunker 60 gedrückt. Durch das diskontinuierliche Nachdrücken immer neuer Gärreste wird die Masse langsam durch den Gärrestebunker 60 bis zum anderen Ende befördert, wo sie durch weitere Förderschnecken aus dem Gärrestebunker 60 transportiert werden.
Der Gärrestebunker 60 hat eine vierfache Funktion. Zum einen dient er als Transportweg zwischen dem Fermentervorplatz 18 im Zentrum des BMKW 10 und dem Anliefer- und Verladebereich, mit ähnlichen Vorteilen, wie sie im Hinblick auf den Frischmassebunker 46 und den Strohkanal 58 beschrieben wurden. Zum anderen dient der Gärrestebunker 60 aber auch als thermophil betriebener Nachgärer und wirkt quasi wie ein weiterer Fermenter. Daher ist der Gärrestebunker 60 auch an das Biogassystem angeschlossen. Drittens dient der Gärrestebunker 60 als Zwischenspeicher für Gärreste. Er ist so dimensioniert, dass er mindestens soviel Gärreste fasst, wie an zwei Tagen anfallen können. Als vierte Funktion bildet der Gärrestebunker eine Einrichtung zum Auswaschen der Gärreste. Aufgrund des hohen Wassergehalts im Gärrestebunker werden für die Verbrennung schädliche Stoffe wie Chlor, Stickstoff, Schwefel, Kaliumchlorid und Silikate aus den Gärresten ausgewaschen, wodurch die Qualität der Gärrestepellets als Brennstoff erhöht wird.
An den Gärrestebunker schließt ein Förderband 66 an, mit dem Gärreste erst zu einer Schneckenpresse 70 und dann zu einer Dehydrierungs- und Pelletierungseinrichtung 64 befördert werden, die unten gesondert beschrieben wird. Mit der Schneckenpresse 70 wird ein erheblicher Teil des Wassers aus den Gärresten ausgepresst. Zusammen mit dem Wasser wird ein erheblicher Teil der oben genannten für die Verbrennung schädlichen Stoffe aus den Gärres- ten ausgepresst. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber einem Verfahren dar, bei dem die Gärreste nur thermisch getrocknet würden, weil in dem Fall wesentlich mehr von den schädlichen Substanzen in den Gärresten verbleiben würden. Die ausgepresste flüssige Phase wird als Prozesswasser in den Gärrestebunker 60 zurückgeführt. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird es davor mechanisch und/oder chemisch aufbereitet, um die genannten für die Verbrennung schädlichen Substanzen zumindest teilweise zu entfernen. Dafür ist insbesondere eine Ultrafiltration geeignet, die mit einer Umkehrosmose verbunden wird. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein Teil der flüssigen Phase entsorgt, wodurch ebenfalls eine Schadstoffabfuhr stattfindet.
3. Fermenter und Perkolatumlauftanks
In Fig. 10 ist ein Fermenter 16 im Querschnitt gezeigt. Der Fermenter 16 ist ein an sich bekannter Garagenfermenter, außer dass seine Deckenhöhe höher ist als üblich, um Platz für die zusätzliche Strohballenschicht am Boden zu bieten. Der Fermenter 16 ist durch ein Tor 20 vom Fermentervorplatz 18 getrennt. In der Darstellung von Fig. 10 ist die Gärmasse im Fermenter 16 mit Bezugszeichen 72 bezeichnet.
Der Fermenter 16 hat am Boden Perkolat- Ablaufrinnen 74 und eine Sammelleitung 76, in der das Perkolat aus sämtlichen Ablaufrinnen 74 gesammelt wird. Die Sammelrinne 76 mündet in einem Schacht 78 mit Siphon, aus dem das gesammelte Perkolat mit Hilfe einer Hebepumpe 80 angehoben und in den Perkolatumlauftank 34 gepumpt wird.
Eine Perkolatpumpe 82 pumpt das Perkolat aus dem Perkolatumlauftank 34 in Perkolatdüsen 84, die im Bereich der Decke des Fermenters 16 angeordnet sind, um die Gärmasse 72 von oben zu benetzen.
Eine Besonderheit bei der gezeigten Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Perkolatumlauftank 34 verhältnismäßig groß ausgebildet ist. Konkret hat der Perkolatumlauftank 34 eine Größe von 450 m3 und ist zur Versorgung von drei Fermentern 16 bestimmt. Jeder Fermenter hat eine Grundfläche von 245 m2, und bei einer Füllhöhe von 4,25 m ein Volumen von 1041 m3. Dies bedeutet, dass das Verhältnis von PUT- Volumen zu Fermen- tervolumen 14,4 % beträgt. Ein derartig großer Perkolatumlauftank wirkt quasi als ein Methanreaktor, in dem in großen Mengen Methan erzeugt wird. Daher ist der Perkolatumlauftank 34 auch mit dem Biogassystem verbunden. Dies wird unten näher im Detail erläutert.
In dem Perkolatumlauftank 34 verhindert ein Füllstandssensor die Unter- bzw. Überschreitung vorgegebener Perkolatpegel. Bei Überschreiten des Maximalpegels kann die Gärmasse des Fermenters, der als nächster für eine Gärmassenauffrischung vorgesehen ist, unmittelbar vor der Entleerung mit der Überschußmenge besprüht werden. Durch die teilweise Entsorgung des Fermenterinhalts kann somit überschüssiges Perkolat abgeführt werden. Zudem sind sämtliche Perkolatumlauftanks 34 über eine Ringleitung (nicht gezeigt) miteinander verbunden, so daß überschüssiges Perkolat aus einem Perkolatumlauftank in einen anderen geleitet werden kann. Erreicht der Pegel im Perkolatumlauftank 34 einen unteren Mindeststand, wird die Besprühung des Fermenters automatisch eingestellt und dies in dem Leitstand angezeigt.
Der Fermenter 16 ist mit der starken zentralen Entlüftungsanlage gekoppelt. Die zentrale Entlüftungsanlage kann vom Fermentervorplatz her Raumluft in den Fermenter saugen und am Fermenterende in die zentrale Entlüftungsanlage abführen. Dies schützt den Radladerfahrer beim Auffrischen der Gärmasse 72 im Fermenter 16 davor, Biogas oder Abgas des Radladers einzuatmen. Ferner ist der Fermenter über den Abgas- Abkühlraum 31 indirekt mit dem Abgassystem der Gasmotoren (nicht gezeigt) verbunden. Bevor ein Fermenter geöffnet wird, kann das darin befindliche Biogas durch Abgas verdrängt werden und somit in den Gasspeicher 32 gedrückt werden. Dadurch geht das Biogas beim nachfolgenden Öffnen des Fermenters 16 nicht durch das ansonsten erforderliche direkte oder indirekte (über Biofilter) Ablassen in die Umgebungsluft verloren. Insbesondere wird eine Schädigung der Umwelt durch das Treibhausgas Methan unterbunden, das 28 mal so schädlich ist wie Kohlenstoffdioxid (CO2). Nach dem Auffrischen der Gärmasse und dem Verschließen des Fermenters 16 kann wiederum Motorabgas eingeleitet werden, um die sauerstoffreiche Atmosphäre im Fermenter 16 zu verdrängen, so dass der anaerobe Gärprozess schneller wieder startet, was die Anlagenleistung erhöht.
Bei herkömmlichen Biogasanlagen mit Feststoffvergärung finden die vier Stufen der Vergärung, Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese sämtlich im Fermenter statt. Dabei besteht jedoch das Problem, dass die fermentativen und acidogenen Bakterien einer- seits und die acetogenen und methanogenen Bakterien andererseits unterschiedliche Lebensbedingungen bevorzugen. Die hydrolytischen und acidogenen Bakterien bevorzugen einen sauren Bereich mit einem pH- Wert von 5,7 bis 6,3. Der optimale pH- Wert der methanogenen Bakterien hingegen liegt zwischen 6,7 und 7,5. Fällt der pH- Wert deutlich unter diesen Bereich ab, werden die methanogenen Bakterien gehemmt, und die Methanproduktion bricht drastisch ein. Ein besonderes Problem besteht darin, dass der Säuregrad nach einer Gärmas- senaufϊrischung vorübergehend erheblich absinkt, was insbesondere durch die bei Frischmaterial immer stattfindende Auto-Hydrolyse verursacht wird. Kurz nach einer Gärmassenauffri- schung sind also die Lebensbedingungen für die methanogenen Bakterien besonders schlecht.
Da zudem gerade die methanogenen Bakterien verhältnismäßig lange Reproduktionszeiten haben, wäre es aus Sicht der methanogenen Bakterien vorteilhaft, die Gärmasse relativ selten aufzufrischen. Dies bedeutet jedoch, dass der Durchsatz an Frischmasse verhältnismäßig gering ist und somit die Leistung der Biogasanlage unter ihrem optimalen Potential liegt.
Im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist es möglich, die Hydrolyse und die Methanisierung zu gewissem Grade räumlich zu trennen. Dabei werden im PUT Bedingungen geschaffen, bei denen die methanogenen Bakterien gut leben, sich gut vermehren und viel Methan erzeugen können. Dies bedeutet, dass im Rahmen der Erfindung die Methanerzeugung zumindest teilweise aus dem Garagenfermenter in den PUT verlagert wird, d.h. dass ein erheblicher Anteil Methangas von den acedogenen und methanogenen Bakterien im PUT erzeugt wird. Der Aufbau ist so ausgestaltet, dass die Produkte der säurefesten fermenta- tiven (hydrolytischen) und acidogenen Bakterien durch das Perkolat ausgewaschen werden und in den PUT geleitet werden. In dem PUT können die acetogenen und methanogenen Bakterien diese Produkte zu Methangas umwandeln. Dabei sinkt der Säuregehalt des Perkolats, so dass es nach dem Durchlaufen des PUT mit einem erhöhten pH- Wert in den Fermenter eingeführt wird. In diesem Kreislauf finden die hydrolytischen und acidogenen Bakterien im Fermenter und die acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT jeweils ihre bevorzugten Lebensbedingungen, und eine Übersäuerung des Fermenters wird effektiv vermieden. Insbesondere können die säureempfindlichen methanogenen Bakterien sich im PUT ungestört vermehren und Methan erzeugen, anders als im Fermenter, in dem sie bei jeder Gärmassenauffrischung einer Säurespitze ausgesetzt werden. Insbesondere gestattet dies einen hohen Methanertrag auch bei verhältnismäßig kurzen Gärzyklen von rund neun Tagen. Selbstverständlich findet im Garagenfermenter nach wie vor auch eine Methanogese statt, nur in geringerem Maße als ohne Trennung in Fermenter und PUT. Anschaulich gesprochen könnte man sagen, dass der Garagenfermenter tendenziell zu einem Hydrolysebehälter und der PUT tendenziell zu einem Methanreaktor wird, auch wenn selbstverständlich auch im Garagenfermenter und im Perkolat, welches in den Garagenfermenter eingesprüht wird, me- thanogene Bakterien vorliegen und daher auch im Garagenfermenter in erheblichem Umfang Methangas erzeugt wird.
In Fig. 11 ist eine schematische geschnittene Draufsicht auf einen PUT 34 nach einer Weiterbildung der Erfindung gezeigt. Der PUT 34 umfasst eine Mischkammer 98, in der das Perkolat, welches aus sechs zugehörigen Fermentern (F1 bis F6 in Fig. 11) stammt, zusammengeführt und dadurch gemischt wird. Dies hat zur Folge, dass sich der Säuregrad der einzelnen Perkolatbeiträge ausgleicht. Wenn das Perkolat aus einem der sechs Fermenter beispielsweise gerade besonders sauer ist, weil gerade eine Gärmassenauffrischung stattgefunden hat, wird diese Säurespitze durch das weniger saure Perkolat aus den übrigen fünf Fermentern wesentlich abgemildert.
Der Fermenter 34 umfasst eine Vielzahl von Trennwänden 100, die eine Kanalstruktur bilden, durch die das Perkolat geführt wird, wie dies in Fig. 11 durch die Pfeile angedeutet ist. Die Kanalstruktur ist so gewählt, dass die Fließgeschwindigkeit innerhalb der Kanalstruktur weniger als 4 cm pro Sekunde, vorzugsweise weniger als 2,5 cm pro Sekunde beträgt. Während das Perkolat durch die Kanalstruktur fließt, werden die Produkte der hydrolytischen und aci- dogenen Bakterien durch die methanogenen und acetogenen Bakterien abgebaut, wodurch der Säuregrad des Perkolats nach und nach abnimmt. Dies bedeutet, dass der Säuregrad des Per- kolats unmittelbar nach dem Eintritt in den PUT 34 noch verhältnismäßig hoch ist und entlang der Kanalstruktur nach und nach abnimmt. Von der Vielzahl acetogener und methanogener Bakterienstämme, die an der Vergärung beteiligt sind, werden sich demnach solche, die einen niedrigeren pH- Wert vertragen, bevorzugt in der Nähe des Eingangs des PUT 34 ansiedeln, und solche, die weniger säurebeständig sind, eher im Bereich des Ausgangs 102 ansiedeln. Insgesamt siedeln die einzelnen Bakterienstämme somit jeweils dort, wo die Lebensbedingungen für sie am Günstigsten sind, wodurch insgesamt die Methanbildung gesteigert wird. Während die acetogenen Bakterien Wasserstoff produzieren, verbrauchen die methanogenen Bakterien Wasserstoff. Am effizientesten geschieht der Wasserstoffaustausch zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien, wenn diese in einem innigen Zellkontakt stehen. Dazu bilden die beteiligten Bakterien im PUT eine Flockenstruktur. Damit diese Flocken nicht durch die Scherkräfte im Perkolatfluss zerstört werden, wird durch die Durchflussgeschwindigkeit durch geeignete Wahl der Kanalstruktur auf unter 4 cm pro Sekunde, vorzugsweise unter 2 cm pro Sekunde gehalten.
Um eine möglichst große Population an acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT aufzubauen, werden vorzugsweise künstliche Siedlungsstrukturen für sie bereitgestellt. In Fig. 12 ist ein PUT 34 nach einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt, in der als künstliche Siedlungsstrukturen Netze 104 bereitgestellt sind, die mit Holzhackschnitzeln gefüllt sind. Der Einfachheit halber ist in der Darstellung von Fig. 12 die Kanalstruktur fortgelassen worden. Es versteht sich jedoch, dass die Kanalstruktur und die künstlichen Siedlungsflächen 104 vorzugsweise kombiniert werden. Die Holzhackschnitzel in den Netzen 104 stellen eine sehr große Siedlungsoberfläche für die acetogenen und methanogenen Bakterien bereit.
Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren PUT 34 bzw. eines Kanalabschnitts derselben nach einer Weiterbildung der Erfindung. In den PUT 34 von Fig. 13 sind Einkerbungen 106 in den PUT-Kanalwänden ausgebildet, in die quer zum Kanalverlauf angebrachte Stangen oder Latten 108 eingesetzt sind. Diese Stangen oder Latten 108 sind aus einem korrosionsfesten Material, beispielsweise aus Holz. Diese Stangen oder Latten 108, eventuell noch in Kombination mit darunter angeordneten in Längsrichtung des Kanals verlaufenden Brettern oder Latten (nicht gezeigt) dienen dazu, die mit Holzhackschnitzeln gefüllten Netze 104 oder andere Siedlungskörper niederzuhalten, so dass sie nicht über den Perkolat-Pegel aufschwimmen.
In der Darstellung von Fig. 13 sind außerdem weitere Füllkörper, beispielsweise wiederum mit Holzhackschnitzeln gefüllte Netze 110 vorgesehen, die Siedlungsflächen für Schwefelbakterien bilden. Die Schwefelbakterien dienen dazu, auf biologische Weise die bei der anaeroben bakteriellen Vergärung anfallenden schädlichen Schwefelverbindungen, insbesondere H2S, COS und CS2 zu binden. Dadurch wird das Biogas auf einfache und kostengünstige Weise entschwefelt, was aus mehreren Gründen vorteilhaft ist. Beispielsweise kann der Schwefelwasserstoff im Biogas zu erheblichen Problemen bei der Gasnutzung führen, wie beispielsweise Korrosionen an der Anlagentechnik und an den Motoren. Selbst Betonbauteile können von Korrosion betroffen sein, wenn Schwefelwasserstoff an der Luft oxidiert und Schwefelsäure entsteht. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei der Verbrennung von Schwefelwasserstoff Schwefeldioxid entsteht, welches auf der Abgasseite zu Problemen führt. Daher ist es äußerst vorteilhaft, wenn das Biogas auf diese Weise zumindest teilweise entschwefelt wird.
Für die Schwefelbakterien ist es vorteilhaft, wenn die Atmosphäre im PUT 0,5 bis 1 % Sauerstoff (entsprechend 2,5% bis 5,5% Luft) enthält. Zu diesem Zweck ist in dem PUT 34 von Fig. 13 ein Einlass 112 mit einem Steuer- oder regelbaren Ventil 114 vorgesehen, durch den die geeignete Menge Luft in die PUT eingeführt wird. Da die acetogenen und methanogenen Bakterien im Perkolat unterhalb des Perkolatpegels siedeln, schadet ihnen die sauerstoffhaltige Atmosphäre nicht.
Die Schwefelbakterien benötigen für ihre Funktion erstens Kontakt zu dem Biogas, welches sie reinigen sollen, zweitens den schon erwähnten Sauerstoff zur Oxidation des Schwefels, drittens Wasser für den mikrobiologischen Prozess und viertens Nährstoffe für das eigene Wachstum. Wasser und Nährstoffe sind im Perkolat enthalten. In der Darstellung von Fig. 13 sind die Füllkörper 110, die für die Siedlung von Schwefelbakterien bestimmt sind, auf den Stangen oder Latten 108 angeordnet. Das Niveau ist dabei so gewählt, dass die Füllkörper 110 bei einem hohen Perkolatpegel vom Perkolat benetzt sind, und bei einem niedrigen Perko- latstand dem Biogas ausgesetzt sind. Diese Schwankungen im Perkolatstand sind mit der Gärmassenauffrischung korreliert, bei der große Mengen Perkolat aus der Gärmasse ausge- presst werden, was zu einem Anstieg des Pegels im PUT führt.
Ferner ist in Fig. 13 ein Auslass 116 für Biogas gezeigt, welches im PUT 34 erzeugt wird und dem zugehörigen Gasspeicher bzw. den Gasmotoren zugeführt wird. In Fig. 14 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der eine Einrichtung 118 zur Besprühung der Füllkörper 110 mit Perkolat installiert ist. Die Einrichtung 118 umfasst eine Rohrleitung 120 und eine Pumpe 122, durch die Perkolat aus einem tieferen Abschnitt des PUT 34 von Fig. 14 entnommen und durch Düsen 124 an die Decke des PUT 34 auf die Siedlungsflächen 110 gesprüht werden kann. Auf diese Weise können die Füllkörper 110, die Siedlungsflächen für Schwefelbakterien bilden, mit ausreichend Perkolat, d.h. Wasser und Nährstoffen, versorgt werden und sind im Übrigen der Biogasatmosphäre mit dem oben erwähnten geringen Sauerstoffanteil ausgesetzt.
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung, in der sechs Fermenter 16 und ein PUT 34 nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, sind die Perkolatauslässe der Fermenter 16 mit einer Perkolat-Sammelleitung 126 verbunden. Das durch diese Perkolat- Sammelleitung 126 geführte Perkolat wird in einen Sammelbehälter 128 geführt, der funktionell der Mischkammer 98 von Fig. 11 entspricht. In diesem Sammelbehälter 128 wird das Perkolat aus den gezeigten sechs Fermentern 16 gemischt, wobei Säurespitzen aus einzelnen Fermentern nivelliert werden. Das Perkolat wird dann aus dem Sammelbehälter 128 in den PUT 34 eingeführt, in dem der Übersichtlichkeit halber die Kanalstruktur und die Füllkörper als künstliche Siedlungsflächen für Bakterien nicht dargestellt ist.
Der Ausgang 102 des PUT 34 ist mit einer weiteren Leitung 130 verbunden, die wiederum für jeden der sechs Fermenter 16 eine Abzweigung 132 hat. Diese Abzweigungen 132 dienen dazu, Perkolat aus dem PUT 34 in die Fermenter 16 durch Düsen 84 (siehe Fig. 10) an der Fermenterdecke einzusprühen.
Durch den Aufbau von Fig. 15 wird ein Perkolatkreislauf von den sechs Fermentern 16 über den Sammelbehälter 128 in den PUT 34, und aus dem PUT 34 über die Leitung 130 und die Abzweigungen 132 wiederum in die Fermenter 26 geschaffen. Wie oben erläutert wurde, führt dieser Aufbau dazu, dass die im Perkolat enthaltene Säurefracht zwischen dem Verlassen der Fermenter 16 und dem Wiedereintritt in die Fermenter 16 reduziert wird. Dies geschieht dadurch, dass sich im PUT eine Population von methanogenen Bakterien ausbildet, die hohe Methanerträge produziert. Gleichzeitig mit der Population der methanogenen Bakterien erhöht sich die Säureabbaukapazität, so dass höhere Säurespitzen in den Fermentern 16 öfter "verdaut" werden können. Dadurch können die Fermenter 16 häufiger und mit mehr Frischmasse beladen werden, wodurch die Anlagenleistung, d.h. die Raumleistung in kg oTS/m3 Fermenterraum/Tag steigt. Insgesamt müssen also für dieselbe Substratmenge weniger Fermenter gebaut werden, oder mit anderen Worten muss für dieselbe erzeugte Strommenge weniger in Anlagekosten investiert werden, wodurch die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Anlage steigt.
Trotz einer erhöhten Säurekonzentration im Fermenter laufen die biochemischen Prozesse sehr stabil ab. Die durch den gezeigten Aufbau ermöglichte höhere Säurekonzentration im Fermenter führt zu einem höheren Abbau der organischen Substanzen, wodurch auch die Substratleistung weiter steigt und auch die Rohstoffbeschaffungskosten sinken.
Wie weiterhin in Fig. 15 gezeigt ist, sind alle sechs Fermenter 16 mit einer Biogassammelleitung 134 verbunden, durch die Biogas aus den Fermentern 16 zum Gasspeicher bzw. Gasmotor geführt wird. Der PUT 34 hat ebenfalls einen Auslass 136 für Biogas, der mit der Biogassammelleitung 134 verbunden ist. Ferner ist der PUT 34 mit einem Ausgleichs-Gasspeicher 138 verbunden.
Schließlich umfasst der PUT 34 einen Ablauf 140, durch den Perkolat aus dem PUT 34 abgelassen und entsorgt werden kann. Das Perkolat wird in dem gezeigten Kreislauf also nicht unendlich alt. Die Möglichkeit, Perkolat aus dem Kreislauf zu entsorgen, ist wichtig, damit es nicht zu unerwünschten Aufkonzentrationen von Hemmstoffen im umlaufenden Perkolat kommt. Der Ablauf 140 ist so groß gewählt, dass der bei seiner Öffnung entstehende Zug ausreicht, Ablagerungen am Boden des PUT 34 fortzuspülen, so dass dieser nicht oder nur selten gereinigt zu werden braucht.
Der in Fig. 15 gezeigte PUT 34 ist außerdem über eine Ringleitung 141 mit weiteren PUTs der Biogasanlage 10 verbunden, die ihrerseits mit einer anderen Gruppe von Fermentern auf ähnliche Weise verbunden sind, wie dies in Fig. 15 gezeigt ist. Durch die Ringleitung 141 kann zwischen den einzelnen PUTs 34 ein Ausgleich in der Perkolatmenge geschaffen werden. Auch können andere PUTs einen der PUTs vorübergehend ersetzen, wenn dieser beispielsweise wegen Wartungsarbeiten nicht betrieben werden kann. Der Fermentations- und Stromerzeugungsbetrieb kann dabei dann ungestört aufrechterhalten bleiben, so dass es zu keinen Produktionsausfällen für Gas und Strom kommt.
Wie eingangs erwähnt wurde, eignet sich die hier beschriebene Biogasanlage besonders für die Vergärung von Festmist und Stroh. Bei einem relativ hohen Strohanteil im Fermenter wird erreicht, dass die Fähigkeit der Gärmasse, Perkolat aufzunehmen, eine Aufhahmekapazität von 0,75 m Perkolat pro 1 m Fermentergrundfläche und Tag übersteigt. Tatsächlich können rund 1 m3 Perkolat pro Quadratmeter Fermentergrundfläche und Tag aufgenommen werden. Bei einer Fermentergrundfläche von 245 m2 bedeutet dies, dass pro Tag rund 250 m3 in einen Fermenter eingesprüht werden. Im bevorzugten Betrieb verbleibt das Perkolat rund fünf Stunden im PUT, so dass das Perkolat rund fünfmal pro Tag umgeschlagen wird. Für den laufenden Betrieb eines Fermenters sollte der PUT 34 somit ein Flüssigkeitsvolumen von 50 bis 60 m3 bereithalten. Da ein PUT 34 sechs Fermenter 16 versorgt, sollte der PUT 34 allein für die Aufnahme des Perkolats 360 m3 bereithalten. Zu diesem Volumen kommt jedoch noch das Volumen, das die Füllkörper für die Besiedlung der Bakterien im PUT einnehmen. Vorzugsweise nehmen die Füllkörper zwei Drittel des Volumens des PUT ein. Außerdem ist der PUT 34 vorzugsweise in der Lage, Perkolat aufzunehmen, das bei der Gärmassenauffrischung aus der Gärmasse ausgepresst wird. Dies sind rund 420 m3. Insgesamt hat also der PUT 34 vorzugsweise ein Volumen von 1.500 m3. Wenn Holzhackschnitzel als Füllkörper verwendet werden, beträgt das Volumen des PUT idealerweise 17% bis 23% des Volumens derjenigen Fermenter, für die er bestimmt ist.
4. Gärmassenauffrischung
Fig. 16 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Fermentervorplatz 18 mit den angrenzenden Fermentern. In der Darstellung von Fig. 16 ist schematisch gezeigt, wie die Gärmassenauffri- schung am Beispiel des Fermenters F11 durchgeführt wird. Dazu wird die angegorene Gärmasse komplett aus dem Fermenter F11 entnommen und auf dem Fermentervorplatz 18 abgeladen. Von der entnommenen angegorenen Gärmasse werden rund 20 % als Gärrest in den Gärrestebunker 60 eingeführt, in dem er einer Nachgärung unterzogen wird. Die verbleibenden rund 80 % der angegorenen Gärmasse werden mit Hilfe einer Schneckenpresse so ausgepresst, dass eine flüssige Phase entsteht. Diese flüssige Phase wird in einen oder mehrere PUTs eingeführt. Die ausgepresste angegorene Gärmasse dient als so genannte Animpfmasse für die zugefügte Frischmasse. Nach der Vermischung von Animpf- und Frischmasse wird die aufgefrischte Gärmasse wieder in den Fermenter Fn gebracht.
Wie eingangs erwähnt wurde, umfasst die Biogasanlage im Grundabschnitt 12 (siehe Fig. 6) 18 Fermenter. Von diesen 18 Fermentern wird vorzugsweise bei zweien täglich die Gärmasse aufgefrischt, so dass sich ein Gärzyklus von neun Tagen ergibt. Dies ist wesentlich kürzer als der bei bekannten Feststoffvergärungsverfahren üblichen Gärzyklen von rund 28 Tagen. Tatsächlich lässt sich jedoch mit einem derart verkürzten Gärzyklus die Anlagenleistung erheblich steigern, wie der Erfinder in Computersimulationen feststellen konnte. Dadurch, dass die besonders säureempfindlichen methanogenen Bakterien im PUT siedeln können, lassen sich die nun häufiger auftretenden Säurespitzen bei der Gärmasseauffrischung verkraften, ohne dass der Gasertrag wesentlich beeinträchtigt würde.
Durch das Auspressen werden der Gärmasse Nährstoffe entzogen, die im Perkolat bereitgehalten werden und insbesondere für das Wachstum und die Ernährung der methanogenen und acetogenen Bakterien im PUT förderlich sind.
5. Strom- und Wärmeerzeugungsanlage
Die Strom- und Wärmeerzeugungsanlage 22 ist in Fig. 7 vergrößert dargestellt. Sie umfasst vier Motoraufstellräume 88a bis 88d, die jeweils zum Aufstellen eines Gasottomotors mit angeschlossenem Generator bestimmt sind. Die Gasmotoren nutzen das getrocknete und biologisch entschwefelte, aber ansonsten unveränderte Biogas als Treibstoff. Jeder Motor wird wie oben erwähnt über jeweils einen separaten Gasverdichter versorgt, der das Biogas über Über- und Unterdruckwächter, Gasfilter und Flammenrückschlagsicherungen (nicht gezeigt) aus dem zentralen Gaspeicher 86 zieht und mit einem Druck von 80 bis 200 mbar in die Gasregelstrecke des Motors presst.
Das Biogas wird in den Motoren verbrannt und somit chemische Energie in mechanische E- nergie und Wärme umgewandelt. Die erforderliche Verbrennungsluft gelangt über ein separates Belüftungssystem 90a bis 9Od in den jeweiligen Motoraufstellraum 88a bis 88d. Außerdem ist für jeden Motoraufstellraum 90a bis 9Od ein separates Entlüftungs System 92a bis 92d vorgesehen. Die zugeführte Frischluftmenge ist ca. sechsmal so hoch, wie der Bedarf an Verbrennungsluft.
Die mechanische Energie des Motors wird in den angeschlossenen Mittelspannungs- Generatoren (nicht gezeigt) in elektrischen Strom umgewandelt, der direkt in ein Mittelspannungsnetz eingespeist werden kann. Die anfallende Verbrennungswärme wird über Kühlkreisläufe der Motoren (Kühlung Gas-Luft-Gemisch, Öl-Kühlung, Wasser-Kühlung) (nicht gezeigt) in drei Wärmetauscher abgeführt, die bei jedem Motor in Reihe geschaltet sind. Durch die Motorwärme werden direkt die Fermenter 16, die Perkolatumlauftanks 34, der Frischmassebunker 46, und der Gärrestebunker 60 geheizt. Außerdem kann zusätzliche Wärme zum Heizen eines Verwaltungsgebäudes (nicht gezeigt) verwendet werden. Dies macht jedoch insgesamt lediglich rund 5 % der verfügbaren Wärme aus. Der überwiegende Teil der Abwärme wird zur Trocknung von Gärresten in der Dehydrierungs- und Pelletierungseinrichtung 68 verwendet, die unten näher beschrieben wird. Weitere Wärme kann in ein BMKW-eigenes Nahwärmenetz eingespeist werden, über welches beispielsweise benachbarte gewerbliche Betriebe versorgt werden können.
Ferner umfasst die Strom- und Wärmeerzeugungsanlage 22 eine Dockingstation 94. Die Do- ckingstation ist mit der gesamten Peripherie eines Generatorsets ausgerüstet, insbesondere dem Gasverdichter, der Gasregelstrecke, der Be- und Entlüftungsanlage, Abgaswärmetauschern, Abgasschalldämpfern, Zuleitung Frischöl, Ableitung Altöl und Anschlüssen an das Heizungssystem. Diese Peripherie ist über flexible Anschlüsse mit einem mobilen Generatorset verbindbar, der bei Bedarf herbeigeschafft werden kann.
Falls ein Gasmotor ausfallen sollte, fällt bei dem gezeigten BMKW die Gasverwendungsseite maximal auf 75 % der Leistung ab, und dies auch nur kurzfristig, nämlich bis das mobile Ersatz-Generatorset herbeigeschafft ist. Ein solches Ersatz-Generatorset kann beispielsweise an einer zentralen Stelle in Deutschland auf einem Tieflader für eine Vielzahl von BMKWs bereitgehalten werden und im Bedarfsfall herbeigeschafft und angeschlossen werden.
Die Dockingstation 94 dient jedoch nicht nur für unplanmäßige Ausfälle eines Generatorsets, sondern insbesondere auch für geplante Wartungsmaßnahmen an einem der Generatorsets, so dass die Leistung des BMKW während der Wartungsmaßnahmen nicht heruntergefahren werden muss, weil das ersatzweise Generatorset, welches an die Dockingstation 94 angeschlossen ist, die Arbeit des zu wartenden Generatorsets übernimmt.
Schließlich umfasst die Strom- und Wärmeerzeugungsanlage 22 ein Öllager 96.
6. Einrichtung zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das die Komponenten der Einrichtung 68 zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten schematisch darstellt. Die Einrichtung 68 umfasst die Schneckenpresse 70, die oben bereits in Zusammenhang mit Fig. 8 erwähnt wurde. Die Schneckenpresse 70 ist in der Lage, die Gärreste, die sehr nass aus dem Gärrestebunker 60 kommen, bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 45 bis 55 Gewichts-% zu dehydrieren. Der erzielbare Feuchtigkeitsgehalt wird so eingestellt, dass die verbleibende Restfeuchte von der Abwärme der Gasmotoren ausreichend getrocknet werden kann. Die beim Pressen entstehende flüssige Phase wird als Prozesswasser zurück in den Gärrestebunker 60 geführt. Dabei wird sie gegebenenfalls gereinigt bzw. chemisch aufgearbeitet. Die feste Phase wird auf das Förderband 66 gegeben, welches in Fig. 8 gezeigt ist und in Fig. 15 durch einen Pfeil symbolisiert ist. Anstelle der Schneckenpresse 70 kann auch ein Dekanter verwendet werden.
Wie weiter in Fig. 15 zu sehen ist, schließt funktional an die Schneckenpresse 70 ein Niedertemperatur-Bandtrockner 142 (sieh auch Fig. 8) an, bei dem während des Trocknungsprozesses aufgrund der niedrigen Temperatur von rund 120 °C keine Dioxine und Furane entstehen. Der Bandtrockner 142 wird ausschließlich mit der Abwärme der Generatorsets beheizt, was den Gesamtprozess sehr effizient macht. Die vom Förderband 66 zugeführten Gärreste fallen in einem Abwurftrichter (nicht gezeigt), aus dem eine Verteileinrichtung sie auf ein darunterliegendes Trocknungsband (nicht gezeigt) auflegt. Die Gärreste bilden auf dem Trocknungsband einen "Teppich", der durch einen Trocknertunnel (nicht gezeigt) gefahren wird. Ein Warmluftstrom durchlüftet den Gärrestteppich und trocknet das Nassgut. Der Trocknungspro- zess findet kontinuierlich statt. Während des Trocknungsprozesses wird die Feuchte der Gärreste gemessen, und die Wärmezufuhr wird so geregelt, dass der Wassergehalt der Gärreste bis auf 7 bis 13 Gewichts-% reduziert wird. Ziel der Regelung ist unter anderem, dass der Bandtrockner bei schwankenden Parametern wie Wärmeleistung, Feuchtigkeit der Gärreste, Dehydrierungsbedingungen und Qualität der Gärreste stets den gewünschten niedrigen Feuchtigkeitsgrad der getrockneten Gärreste sicherstellt. Alternativ kann anstelle des Bandtrockners ein Trommeltrockner (nicht gezeigt) mit Kontakttrocknung verwendet werden, der ebenfalls bei ausreichend niedrigen Temperaturen arbeitet.
Der Bandtrockner 142 ist so ausgelegt, dass die anfallende Restwärme möglichst komplett genutzt werden kann, unter besonderer Berücksichtigung von im Sommer entstehenden Abwärmespitzen, die nicht durch den Verkauf z.B. für Heizzwecken nivelliert werden können.
An den Bandtrockner 142 schließt eine pneumatische Förderanlage an, die in der schematischen Darstellung von Fig. 15 durch den Pfeil 144 repräsentiert ist. Da die Gärreste nach der Trocknung im Bandtrockner 142 sehr leicht sind, ist eine pneumatische Förderanlage gegenüber einem Förderband zu bevorzugen, weil während des Transports weniger Material verloren geht und weniger Staub erzeugt wird.
Von der pneumatischen Förderanlage 144 werden die getrockneten Gärreste in eine Hammermühle 146 eingebracht, in der die getrockneten Gärreste zerkleinert werden. Bei der Harnrnermühle 146 handelt es sich um eine an sich bekannte konventionelle Großraum- Hammermühle auf verbindungssteifen Grundrahmen mit Vibrationsdämpfern, elektrischer Türverriegelung, Lagertemperaturüberwachung und Mahlkammertemperaturüberwachung, wie sie gegenwärtig für die Vermahlung von natürlichen Substraten wie Stroh, Maiskolben, Luzerne, Heu, Papier, Holz, Hanf oder Jute bereits Verwendung findet. Die Hammermühle 146 kann alternativ auch zwischen der Schneckenpresse und dem Bandtrockner angeordnet sein. In diesem Fall findet die Zerkleinerung des Materials bei einem noch höheren Feuchtigkeitsgehalt der Gärreste statt, so dass weniger Staub gebildet wird und die damit verbundene Explosionsgefahr unterbunden wird. Anstelle der Hammermühle 146 kann auch eine Strohmühle verwendet werden.
Die getrockneten und zerkleinerten Gärreste werden aus der Hammermühle 146 über eine weitere pneumatische oder mechanische Förderanlage 148 in einen Konditionierer 150 eingebracht. In dem Konditionierer 150 werden die Gärreste mit geeigneten Zusatzstoffen ver- mengt, durch die die Qualität der schließlich erzeugten Pellets gesteigert wird. Beispielsweise können in dem Konditionierer 150 Getreidemehl und/oder Melasse und/oder Stärke zugefugt werden, wodurch die Festigkeit der Gärrestepellets erhöht wird, was wiederum die Verbrennung verbessert. Außerdem können die Gärreste im Konditionierer 150 Wasserdampf ausgesetzt werden, wodurch die Masse geschmeidiger wird und sich besser pelletieren lässt. Zusätzlich oder alternativ kann den Gärresten im Konditionierer 150 Branntkalk in geringen Mengen (z.B. 1 bis 2 Gewichts-%) zugefügt werden, um das Ascheerweichungsverhalten der Pellets beim Abbrennen aufgrund des veränderten Verhältnisses von Kalzium zu Kalium in der Asche positiv zu beeinflussen. Schließlich können den Gärresten im Konditionierer 150 Sägemehl oder Holzspäne zugefügt werden, durch die die Qualität der erhaltenen Gärrestepellets als Brennstoff weiter erhöht wird. Ferner können in dem Konditionierer 150 Ölpresskuchen zugefügt werden, die bei der Gewinnung von Öl aus Raps oder Kürbiskernen anfallen und die den Brennwert der Gärrestepellets erhöhen können. Um das Abbrennverhalten der Gärrestepellets zu erhöhen, können außerdem Magnesium, Kalzium und/oder Aluminium beigemischt werden. Ziel der Beimischung ist es, dass die Brennstoffpellets Regelbrennstoffqualität erreichen und/oder für einen Einsatz als Brennstoff gemäß der in den ersten und/oder der vierten Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) aufgeführten Bedingungen geeignet sind.
Der Konditionierer 150 ist in der bevorzugten Ausführungsform direkt auf die Pelletierungs- vorrichtung 152 aufgesetzt, so dass die im Konditionierer 150 aufbereiteten Gärreste ohne Zwischenspeicher direkt vom Konditionierer in die Pelletierungsvorrichtung 152 eingeführt werden.
Die Pelletierungsvorrichtung 152 wird durch eine an sich bekannte Pelletierpresse gebildet. In der Pelletierpresse 152 wird die aufbereitete Gärmasse in einem Kollergang unter hohem Druck durch Matrizen gepresst, wobei das in den Gärresten enthalten Lignin aufschmilzt, wodurch die Pressmasse zusammengebacken wird. Hinter der Matrize schneidet ein Messer die Pellets zu beispielsweise 15 mm langen Stückchen ab. Alternativ können jedoch auch Brennstoffbriketts hergestellt werden. Die Pellets werden über eine weitere, ggf. mechanische Förderanlage 154 in eine Kühleinrich- tung 156 eingebracht, in der die Pellets, die sich während der Konditionierung und Pelletierung erhitzt haben, abkühlen können.
Über eine weitere, ggf. mechanische Förderanlage 158 werden die Pellets in ein Lagersilo 68 transportiert, welches auch in Fig. 8 gezeigt ist, in dem sie bis zu ihrem Abtransport gelagert werden. Die Gärrestepellets sind aufgrund ihres geringen Wassergehalts hydroskopisch, das heißt, sie neigen dazu, Wasser aus der Umgebungsluft aufzunehmen. Daher werden sie im Lagersilo 68 in sehr trockener Atmosphäre gelagert und beispielsweise in einem Tankwagen vom Lagersilo 68 zum Verbraucher transportiert.
Mit der gezeigten Dehydrierungs- und Pelletierungseinrichtung 64 werden aus den Gärresten wertvolle Brennstoffpellets gewonnen. Wenn die Substratmischung für das Vergärungsverfahren vorwiegend aus Stroh und Festmist besteht, werden Gärrestepellets erhalten, deren Brennwert zwischen 5000 und 5400 kWh pro Tonne Trockensubstanz liegt. Dadurch wird ein energetisch und ökonomisch wertvoller Brennstoff geschaffen, zu dessen Erzeugung lediglich Abwärme verwendet wird, die ohnehin anfällt, und ein geringer Bruchteil des ohnehin im Biomassekraftwerk erzeugten Stroms. Da die Gärreste im Fermenter 16 und im Gärrestebunker 60 ausgewaschen werden, hat der erhaltene Brennstoff eine gute Qualität bezüglich Immission. Der Wirkungsgrad des Biomassekraftwerks als Ganzes wird durch die erfindungsgemäße Kombination von Biogaserzeugung durch Vergärung von Stroh und Gärrestepelletie- rung außerordentlich hoch.
Obgleich in den Zeichnungen und der vorhergehenden Beschreibung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel aufgezeigt und detailliert beschrieben ist, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur das bevorzugte Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben ist und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeitig und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen. Michael Feldmann F30376PCT(Y) Bezugszeichenliste
10 Biomassekraftwerk als Beispiel einer Biogasanlage
12 Grundabschnitt
14 Ausbauabschnitt
16 Fermenter
18 Fermentervorplatz
20 Fermentertor
22 Strom- und Wärmeerzeugungsanlage
24 Anliefer- und Verladebereich
26 Fermentervorplatz-Hallenabschnitt
28 Anliefer- und Verladebereichshallenabschnitt
30 Technikbrücke
31 Abgas-Abkühlraum
32 Folien-Gasspeicher
34 Perkolatumlauftank
36 Südlicher Technikraum
38 Nördlicher Technikraum
40 Lichtbänder
42 Anlieferbunker für Frischmasse
44 Förderband
46 Frischmassebunker
48 Bereitstellungsraum
50 Ballen- Anlieferungsraum
52 Aufschlußbereich
54 Zwischenlager
56 Rollenförderer
58 Strohkanal
60 Gärrestebunker
62 Schütttrog für Gärreste
64 Einrichtung zur Dehydrierung und Pelletierung
66 Förderband für Gärreste
68 Lagersilo für Gärrestepellets
70 Schneckenpresse 72 Gärmasse
74 Ablaufrinnen
76 Sammelrinnen
78 Schacht
80 Hebepumpe
82 Perkolatpumpe
84 Perkolatdüsen
86 zentraler Gasspeicher
88a - 88d Motoraufstellräume
90a - 9Od Belüftungssysteme für Motoraufstellräume 88a - 88d
92a - 92d Entlüftungssysteme für Motoraufstellräume 88a - 88c
94 Docking Station
96 Öllager
98 Mischkammer
100 Trennwand
102 Ausgang
104 Füllkörper als Siedlungsfläche für methanogene Bakterien
106 Einkerbung in Kanalwand
108 Holzlatte
110 Füllkörper als Siedlungsfläche für Schwefelbakterien
112 Lufteinlass
114 Ventil
116 Auslass für Biogas
118 Besprüheiniichtung
120 Rohrleitung
122 Pumpe
124 Perkolatdüsen
126 Perkolatsammelleitung
128 Sammelbehälter
130 Perkolatleitung
132 Abzweigung in der Perkolatleitung 130
134 Biogassammelleitung
136 Auslass für Biogas
138 Ausgleichsspeicher 140 Ablaufaus PUT 34
141 PUT-Ringleitung
142 Bandtrockner
144 pneumatische Förderanlage
146 Hammermühle
148 pneumatische Förderanlage
150 Konditionierer
152 Pelletierungsvorrichtung
154 pneumatische Förderanlage
156 Kühleinrichtung
158 pneumatische Förderanlage

Claims

FeldmannF30376PCT(Y)12.12.2007Patentansprüche
1. Biogasanlage (10) zur Erzeugung von Biogas nach dem anaeroben, bakteriellen Feststoffvergärungsverfahren umfassend: eine Mehrzahl von Fermentern (16) des Garagentyps, mindestens einen Perkolatumlauftank (34) (PUT) der zur Aufnahme von Perkolat mit mindestens einem zugehörigen Fermenter verbunden ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der PUT (34) an das Biogassystem angeschlossen ist und ein Volumen hat, welches mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 7%, besonders vorzugsweise mindestens 10% und insbesondere mindestens 12% des Volumens desjenigen Fermenters (16) oder derjenigen Fermenter (16) beträgt, mit dem bzw. denen er zur Aufnahme von Perkolat verbunden ist
2. Biogasanlage (10) nach Anspruch 1, bei der mehrere PUTs (34) vorgesehen sind, die untereinander durch eine Perkolatleitung, insbesondere eine Perkolatringleitung (141), verbunden sind.
3. Biogasanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die PUTs (34) oberhalb des bzw. der zuge-hörigen Fermenter (16) angeordnet sind.
4. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verhältnis von Fermentern (16) zu PUTs (34) mindestens 3 : 1 , vorzugsweise mindestens 5:1 beträgt.
5. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die aus unterschiedlichen Fermentern (16) stammenden Perkolatzuflüsse miteinander vermischt werden, bevor sie in einen PUT eingeführt werden.
6. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der PUT in einem PUT-Kreislauf angeordnet ist, in dem Perkolat, welches durch einen Ablauf aus einem Fermenter (16) abläuft, mindestens einen PUT (34) durchlaufen muß, bevor es wieder in einen Fermenter (16) eingeführt wird.
7. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine PUT (34) beheizbar ist.
8. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in dem mindestens einen PUT künstliche Siedlungsflächen (104) für methanogene Bakterien installiert sind.
9. Biogasanlage (10) nach Anspruch 8, bei der die Siedlungsflächen durch einen oder mehrere der folgenden Gegenstände gebildet werden:
■ Gestelle, in die handtuch-, teppich- oder gardinenartige Gewebe gehängt werden können,
■ korbartige Gebilde oder hohle Bälle aus säurefestem Kunststoff, insbesondere solche, die mit kleineren Gegenständen gefüllt sind,
■ lamellenartige Strukturen aus Kunststoff,
■ Haufwerke von Gegenständen mit großen Oberflächen, insbesondere Holzhackschnitzeln oder Stroh,
■ Netze (164), , die mit Holzhackschnitzeln, stroh oder ähnlichem Material gefüllt sind.
10. Biogasanlage (10) nach Anspruch 8 oder 9, bei der Mittel vorgesehen sind, die ein Aufschwimmen von Gegenständen (104), welche künstliche Siedlungsstrukturen für methanogene Bakterien bilden, verhindern.
11. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in dem PUT (34) eine Kanalstruktur derart ausgebildet ist, daß Perkolat, welches an einem Eingang in den PUT (34) eintritt, bis zu seinem Austritt entlang eines Fliessweges geführt wird, dessen Länge mindestens das dreifache, vorzugsweise mindestens das sechsfache der größten Dimension des PUT (34) beträgt.
12. Biogasanlage (10) nach Anspruch 11, bei der die Kanalstruktur derart ausgebildet ist, daß das Biogas, welches im PUT (34) entsteht, bis zu seinem Austritt in das Biogassystem in dieser Kanalstruktur oberhalb des Fliessweges des Perkolats geführt wird.
13. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine PUT (34) Zugänge, insbesondere gasfest verschließbare Luken aufweist, durch die er für Bedienpersonal zugänglich ist.
14. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine PUT (34) ein Foliendach aufweist.
15. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der PUT (34) ein festes Dach aufweist und mit einem Ausgleichs-Gasspeicher (138) verbunden ist.
16. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Einrichtung (112) vorgesehen ist, die geeignet ist, in der Gasatmosphäre des PUT (34) einen Sauerstoffgehalt von 0,2% bis 2,5%, vorzugsweise von 0,5% bis 1% herzustellen.
17. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im PUT (34) künstliche Siedlungsflächen (110) für Schwefelbakterien angeordnet sind.
18. Biogasanlage (10) nach Anspruch 17, bei der die Siedlungsflächen (110) für Schwefelbakterien derart angeordnet sind, daß sie innerhalb der zu erwartenden Fluktuation des Pegel-standes des Perkolats im PUT (34) zeitweilig vom Perkolat im PUT (34) benetzt werden und zeitweilig dem Biogas ausgesetzt sind.
19. Biogasanlage (10) nach Anspruch 17 oder 18, bei der in dem mindestens einen PUT (34) eine Einrichtung (124) zum Besprühen der Siedlungsflächen (110) für Schwefelbakterien mit Perkolat vorgesehen ist.
20. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in den Gara- genfermentern, vorzugsweise zwischen den Perkolatdüsen (84) und der Gärmasse (72), künstliche Siedlungsflächen für Schwefelbakterien angeordnet sind.
21. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Presse, die geeignet ist, bereits angegorene Gärmasse, welche im Zuge einer Gärmassenauffrischung aus dem Fermenter (16) herausgeholt und als Animpfinasse für die Frischmasse verwendet wird, so auszupressen, dass die flüssige Phase in mindestens einen PUT (34) geleitet und die feste Phase mit der Frischmasse vermischt werden kann.
22. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine umlaufende Rohrleitung mit düsenartigen Ausgängen für Perkolat vorgesehen ist, und im Boden des PUTs (34) mindestens ein Ablaß vorgesehen ist, durch die Perkolatschlick aufgewirbelt und aus dem PUT (34) abgelassen werden kann, wobei die Neigung des PUT- Bodens und der Durchmesser des Ablasses so groß sind, daß die Trockensubstanz, welche sich am Boden des PUT als Perkolatschlick abgesetzt hat, beim Ablassen durch den mindestens einen Ablaß fortgespült wird.
23. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung zum chemischen, mechanischen und/oder thermischen Aufschluß von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere von Stroh.
24. Biogasanlage (10) nach Anspruch 23, bei der die Einrichtung zum mechanischen Auf- schluss eine Einrichtung zum Schneiden, Häckseln und/oder Vermählen von lignin- und/oder faserhaltigen Rohstoffen umfasst, ins besondere eine Hammermühle oder Strohmühle.
25. Biogasanlage (10) nach Anspruch 23 oder 24, bei der die Einrichtung zum Aufschluß von lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffen eine Einrichtung zur Sattdampfbehandlung umfaßt.
26. Biogasanlage (10) nach Anspruch 25, bei der die Einrichtung zur Sattdampfbehandlung einen Druckbehälter und Mittel umfaßt, die geeignet sind, im Druckbehälter einen Wasserdampf zu erzeugen, mit einem Druck, der zwischen 20 und 30 bar liegt und einer Temperatur, die zwischen 1800C und 250°C liegt.
27. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 23 bis 26, bei der die Einrichtung zum Aufschluß von ligninhaltigen nachwachsenden Rohstoffen einen Behälter zum Einweichen derselben in Wasser, einer Wasser-Laugen-Lösung, einer Wasser-Säure- Lösung, Perkolat oder Gülle umfaßt.
28. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend: eine Einrichtung (64) zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten, die geeignet ist, Gärreste zu Brennstoffpellets und/oder Brennstoffbriketts zu verarbeiten.
29. Biogasanlage (10) nach Anspruch 28, mit einer Einrichtung (60) zum Auswaschen oder Eluieren der Gärreste.
30. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem Gasmotor und mindestens einem Stromgenerator, der durch den Gasmotor betreibbar ist.
31. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei der die Einrichtung (64) zum Dehydrieren und Pelletieren eine Einrichtung zum mechanischen Dehydrieren von Gärresten, insbesondere eine Schneckenpresse (70) oder einen Dekanter umfasst.
32. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 31 , bei der die Einrichtung (64) zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten eine Trocknungseinrichtung, insbesondere einen Bandtrockner (142) oder einen Trommeltrockner mit Kontakttrocknung umfasst.
33. Biogasanlage (10) nach Anspruch 32, bei der die Trocknungseinrichtung (142) mit Abwärme von mindestens einem Gasmotor der Biogasanlage (10) betrieben wird.
34. Biogasanlage (10) nach Anspruch 32 oder 33, bei der die Temperatur der Trocknungseinrichtung 180 °C, vorzugsweise 140 °C nicht übersteigt.
35. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 34, bei der die Einrichtung (64) zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten eine Einrichtung zum Zerkleinern der zumindest teilweise dehydrierten und gegebenenfalls getrockneten Gärreste, insbesondere eine Hammermühle (146) oder eine Strohmühle umfasst.
36. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 35, bei der die Einrichtung (64) zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten eine Konditioniereinrichtung (150) umfasst, die geeignet ist, den zerkleinerten und zumindest teilweise dehydrierten und/oder getrockneten Gärresten eine oder mehrere der folgenden Zugaben beizumischen: Getreidemehl, Melasse, Stärke, Branntkalk, Dampf, Holzspäne, Sägemehl, Ölpresskuchen, Calzium, Magnesium, Aluminium, Stickstoff bindende Mittel, insbesondere Stickstoff reduzierende Reduktionsmittel, Kalkhydrat.
37. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 36, bei der die Einrichtung (64) zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten eine Pelletierpresse (152) umfasst, die geeignet ist, die zerkleinerten und dehydrierten Gärreste zu Pellets oder Briketts zu pressen.
38. Biogasanlage (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 37, bei der zumindest einige der Komponenten der Einrichtung (64) zum Dehydrieren und Pelletieren von Gärresten durch eine pneumatische und/oder mechanische Förderanlage (144, 148, 154, 158) verbunden sind.
39. Biogasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Anliefer- und Verladebereich (24).
40. Biogasanlage (10) nach Anspruch 23 und 39, bei der die Einrichtung zum chemischen, mechanischen und/oder thermischen Aufschluss von Stroh in dem Anliefer- und Verladebereich (24) untergebracht ist.
41. Biogasanlage (10) nach Anspruch 39 oder 40, bei der der Anliefer- und Verladebereich (24) stationäre Fördertechnik (44, 46, 56) umfasst, die geeignet ist, Biomasse aus dem Anliefer- und Verladebereich (24) zu einem Fermentervorplatz (28) zu fördern, von dem aus eine Mehrzahl von Fermentern (16) des Garagentyps zugänglich sind.
42. Biogasanlage (10) nach Anspruch 39, 40 oder 41, bei der der Anliefer- und Verladebereich (24) mindestens einen eingehausten Anlieferbunker (42) für Frischmasse um- fasst.
43. Biogasanlage (10) nach Anspruch 42, mit ersten Fördermitteln (44), die geeignet sind, Frischmasse aus dem mindestens einen Anlieferbunker (42) für Frischmasse zu einem Frischmassebunker (46) zu befördern.
44. Biogasanlage (10) nach Anspruch 43, bei der die ersten Fördermittel ein Förderband (44) umfassen, auf dem Frischmasse aus verschiedenen Anlieferbunkern (42) zum Frischmassebunker (46) beförderbar ist.
45. Biogasanlage (10) nach Anspruch 43 oder 44, mit zweiten Fördermitteln, insbesondere einem Schubschild, welche geeignet sind, die Frischmasse durch den Frischmassebunker (46) in Richtung auf den Fermentervorplatz (18) zu befördern.
46. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche innerhalb des Anliefer- und Verladebereichs (24) eine Entladungsstelle (50) mit Kran und ein Zwischenlager für Ballenmaterial, insbesondere für Stroh umfasst.
47. Biogasanlage (10) nach Anspruch 46, welche dritte Fördermittel, insbesondere Rollenförderer oder Schubförderer, umfasst, die geeignet sind, einzelne Ballen oder Pakete von Ballen entlang eines Ballenkanals (58) zum Fermentervorplatz (18) zu befördern.
48. Biogasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gärrestebunker (60), der vom Fermentervorplatz (18) aus zum Einbringen von Gärresten zugänglich ist.
49. Biogasanlage (10) nach Anspruch 48, bei der der Gärrestebunker (60) stationäre Fördermittel, insbesondere Förderschnecken umfasst, die insbesondere durch ihre Anordnung am Zu- und Ausgang geeignet sind, Gärreste durch den Gärrestebunker (60) hindurch zu transportieren.
50. Biogasanlage (10) nach Anspruch 48 oder 49, bei der der Gärrestebunker (60) an das Biogassystem angeschlossen ist.
51. Verfahren zur Erzeugung von Biogas nach dem anaeroben, bakteriellen FeststoffVer- gärungsverfahren in einer Biogasanlage (10) mit einer Mehrzahl von Fermentern (16) des Garagentyps, bei dem Perkolat aus den Fermentern (16) in mindestens einen Per- kolatumlauftank (PUT) (34) eingeführt wird und Perkolat aus dem mindestens einen PUT (34) in mindestens einen zugehörigen Fermenter (16) rückgeführt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der PUT (34) an das Biogassystem angeschlossen ist und ein Volumen hat, welches mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 7%, besonders vorzugsweise mindestens 10% und insbesondere mindestens 12% des Volumens desjenigen Fermenters o- der derjenigen Fermenter beträgt, mit dem bzw. denen er zur Aufnahme von Perkolat verbunden ist
52. Verfahren nach Anspruch 51 , bei dem das Verhältnis von Fermentern (16) zu PUTs (34) in der Biogasanlage mindestens 3:1, vorzugsweise mindestens 5:1 beträgt.
53. Verfahren nach Anspruch 51 oder 52, bei dem der Perkolatumlauf vom Fermenter (16) zum PUT (34), durch den PUT (34) und aus dem PUT (34) zurück in den Fermenter (16) so gestaltet wird, dass sich die im Perkolat enthaltene Säurefracht zwischen dem Verlassen des Fermenters (16) und des Wiedereintritts in den Fermenter (16) reduziert.
54. Verfahren nach Anspruch 53, bei dem die Reduzierung der Säurefracht durch eine verstärkte Ansiedlung von acetogenen und methanogenen Bakterien im PUT (34) erfolgt.
55. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 54, bei dem die aus unterschiedlichen Fermentern (16) stammenden Perkolatzuflüsse miteinander vermischt werden, bevor sie in einen PUT (34) eingeführt werden.
56. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 55, bei dem Perkolat, welches aus einem Fermenter (16) ausläuft, mindestens einen PUT (34) durchläuft, bevor es wieder in einen Fermenter (16) eingeführt wird.
57. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 56, bei dem in dem mindestens einen PUT (34) künstliche Siedlungsflächen (104) für acedogene und methanogene Bakterien vorgesehen sind.
58. Verfahren nach Anspruch 57, bei dem die Siedlungsflächen durch einen oder mehrere der folgenden Gegenstände gebildet werden:
■ Gestelle, in die handtuch-, teppich- oder gardinenartige Gewebe gehängt werden können,
■ korbartige Gebilde oder hohle Bälle aus säurefestem Kunststoff, insbesondere solche, die mit kleineren Gegenständen gefüllt sind,
■ lamellenartige Strukturen aus Kunststoff,
■ Haufwerke von Gegenständen mit großen Oberflächen, insbesondere Holzhackschnitzeln oder Stroh,
■ Netze (104), die mit Holzhackschnitzeln, Stroh oder ähnlichem Material gefüllt sind.
59. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 58, bei dem das Perkolat im PUT (34) entlang eines Flußweges geführt wird, dessen Länge mindestens das dreifache, vorzugsweise mindestens das sechsfache der größten Dimension des PUT (34) beträgt.
60. Verfahren nach Anspruch 59, bei dem die Fließgeschwindigkeit des Perkolats entlang des Fliessweges im PUT (34) weniger als 4 cm/s, vorzugsweise weniger als 2,5 cm/s beträgt.
61. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 60, bei dem sich das Perkolat durchschnittlich 4 bis 12 Stunden, vorzugsweise durchschnittlich 5 bis 7 Stunden im PUT (34) aufhält.
62. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 61, bei dem die Gärmasse im Fermenter (16) soweit mit lockerem Material, vorzugsweise mit Stroh, angereichert wird, dass sich die Fähigkeit der Gärmasse, Perkolat aufzunehmen, auf eine Aufnahmekapazität von mindestens 0,75 m Perkolat pro 1 m Fermentergrundfläche und Tag erhöht.
63. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 62, bei dem das Perkolat bei 300C bis 4O0C, vorzugsweise 330C bis 37 0C gehalten wird.
64. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 63, bei dem Trockensubstanz, die sich am Boden des mindestens einen PUT (34) als Perkolatschlick abgesetzt hat, ausgespült wird, indem zumindest ein Teil des Perkolats durch Ablässe im Boden des PUT (34) abgelassen wird.
65. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 64, bei dem der am Boden des mindestens einen PUT (34) angesammelte Perkolatschlick vor dem Ablassen mittels Perkolat, das aus Düsen einer umlaufenden Rohrleitung austritt, aufgewirbelt wird.
66. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 65, bei dem die Gärmasse pro Fermenter (16) alle 6 bis 12 Tage, vorzugsweise alle 8 bis 10 Tage aufgefrischt wird.
67. Verfahren nach Anspruch 66, bei dem die Anzahl von Fermentern (16) zwischen 12 und 24, vorzugsweise zwischen 16 und 20 beträgt und täglich zwei Gärmasse- nauffrisch-ungen vorgenommen werden.
68. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 67, bei dem die Frischmasse, insbesondere eine aus lignin- und faserhaltigen Substraten bestehende Frischmasse vor dem Einbringen in den Fermenter (16) aufgeheizt wird.
69. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 68, bei dem die Frischmasse, insbesondere eine aus lignin- und faserhaltigen Substraten bestehende Frischmasse vor dem Einbringen in den Fermenter (16) einer schwach aeroben Vorhydrolyse unterzogen wird.
70. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 69, bei dem die Auffrischung der Gärmasse folgende Schritte umfaßt:
■ Entnehmen der Gärmasse aus dem Fermenter (16),
■ Ersetzen eines Teils der Gärmasse durch Frischmasse, und ■ Einbringen der durch Frischmasse ergänzten Gärmasse in den Fermenter, wobei die wieder in den Fermenter einzubringende, im vorhergehenden Gärzylus bereits angegorene Gärmasse vor einer Vermischung mit Frischmasse so ausgepreßt wird, dass eine flüssige Phase entsteht, die in mindestens einen PUT geleitet werden kann, und eine feste Phase entsteht, die mit der Frischmasse vermischt werden kann.
71. Verfahren nach Anspruch 70, bei dem bei einer Gärmassenauffrischung zwischen 13 % und 60 % der Gärmasse in einen Nachgärer abgeführt werden und der Frischmasseanteil 22% bis 69 % des der neu in den Fermenter eingegebenen Gärmasse beträgt.
72. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 71, bei dem in der Gasatmosphäre des PUT (34) ein Sauerstoffgehalt von 0,2% bis 2,5%, vorzugsweise von 0,5% bis 1% hergestellt wird.
73. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 72, bei dem in PUT künstliche Siedlungsflächen (110) für Schwefelbakterien angeordnet sind.
74. Verfahren nach Anspruch 73, bei dem die Siedlungsflächen (110) für Schwefelbakterien derart angeordnet sind, daß sie innerhalb der Fluktuation des Pegelstandes des Perkolats im PUT (34) zeitweilig von Perkolat im PUT benetzt werden und zeitweilig dem Biogas ausgesetzt sind.
75. Verfahren nach Anspruch 73 oder 74, bei dem die Siedlungsflächen (110) für Schwefelbakterien mit Perkolat besprüht werden.
76. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 75, bei dem die künstlichen Siedlungsflächen für Schwefelbakterien in den Garagenfermentern, vorzugsweise zwischen en Perkolatdüsen (84) und der Gärmasse (72), installiert werden.
77. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 76, bei dem in die Fermenter (16) eine unterste Schicht aus Ballen aus lignin- und/oder faserhaltigem nachwachsendem Rohstoff, insbesondere Stroh eingebracht wird.
78. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 77, bei dem lignin- und/oder faser- haltiger nachwachsender Rohstoff, insbesondere Stroh, vor dem Einbringen in die Fermenter (16) vorbehandelt wird, um einen chemischen, thermischen und/oder mechanischen Aufschluß desselben zu bewirken.
79. Verfahren nach Anspruch 78, bei dem die Vorbehandlung zum thermischen Auf- schluss eine Sattdampfbehandlung umfaßt.
80. Verfahren nach Anspruch 79, bei dem die Sattdampfbehandlung so durchgeführt wird, daß sie Ligninstrukturen des ligninhaltigen nachwachsenden Rohstoffs aufweicht, die äußere Struktur des Rohstoffs insgesamt aber im wesentlichen bestehen bleibt.
81. Verfahren nach Anspruch 79 oder 80, bei dem die Sattdampfbehandlung bei einer Temperatur zwischen 1600C und 240°C und einem Druck zwischen 20 und 30 bar für weniger als 20 Minuten durchgeführt wird.
82. Verfahren nach einem der Ansprüche 79 bis 81 , bei dem der Behandlungsdruck am Ende der Sattdampfbehandlung innerhalb von fünf Sekunden um mindestens 80% gesenkt wird.
83. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 82, bei dem der lignin- und/oder faserhal- tige nachwachsende Rohstoff, insbesondere Stroh, vor der weiteren Verwendung eingeweicht wird.
84. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 83, bei dem der lignin- und/oder faserhal- tige nachwachsende Rohstoff, insbesondere Stroh, nach der Sattdampfbehandlung in einer sauren Lösung, insbesondere Perkolat, in einer alkalischen Lösung oder in Gülle eingeweicht wird.
85. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 84, bei dem die Vorbehandlung des lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffs zum mechanischen Aufschluss das Häckseln und/oder Schneiden zumindest eines Anteils desselben umfasst.
86. Verfahren nach Anspruch 85, bei dem der lignin- und/oder faserhaltige nachwachsende Rohstoff auf eine Partikellänge von weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 2 cm geschnitten und/oder gehäckselt wird.
87. Verfahren nach Anspruch 85 oder 86, bei dem zwischen 10% und 70 % des lignin- oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffs geschnitten und/oder gehäckselt wird.
88. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 87, bei dem die Vorbehandlung des lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffs zum mechanischen Aufschluss das Vermählen zumindest eines Anteils desselben umfasst.
89. Verfahren nach Anspruch 88, bei dem zwischen 5 % und 100 %, vorzugsweise zwischen 20 % und 65% des lignin- und/oder faserhaltigen Rohstoffs vermählen werden.
90. Verfahren nach Anspruch 88 oder 89, bei dem der Vermahlungsgrad des lignin- und/oder faserhaltigen Rohstoffs einem Sieblochdurchmesser von höchstens 8mm, vorzugsweise einen Sieblochdurchmesser von höchstens lmm entspricht.
91. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 90, bei dem dem lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffs zwischen der Vorbehandlung und dem Einbringen in den Fermenter (16) zur anaeroben, bakteriellen Fermentation keine zusätzlichen Säuren, Enzyme, Pilze oder Hefen von außen zugeführt werden.
92. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 91, bei dem der lignin- und/oder faserhaltige nachwachsende Rohstoff, insbesondere Stroh, in Ballenform bereitgestellt wird, wobei die Ballen eine Dichte von wenigstens 200 kg/m3, vorzugsweise von wenigstens 208 kg/m aufweisen.
93. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 92, bei dem die chemische Vorbehandlung eine Vermischung des lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffs, insbesondere Stroh, mit Festmist, Gülle, Perkolat und/oder perkolatenthalte- nder Gärmasse umfaßt.
94. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 93, bei dem die chemische Vorbehandlung das Einweichen des lignin- und/oder faserhaltigen nachwachsenden Rohstoffs, insbesondere Stroh, in einer Wasser-Säure-Lösung, einer Wasser-Laugen-Lösung, Perkolat oder Gülle umfaßt.
95. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 bis 94, bei dem die aus lignin- und faserhal- tigem Material, insbesondere aus den Gärresten von Stroh, bestehenden Gärreste auf einen Wasseranteil von unter 25%, vorzugsweise unter 15% getrocknet werden und zu Holz- bzw. Schwachgas vergast werden.
96. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 94, ferner umfassend einen Schritt des Dehydrierens und Pelletierens von Gärresten, um Brennstoffpellets oder Brennstoffbriketts zu erzeugen.
97. Verfahren nach Anspruch 96, bei dem für die Verbrennung schädliche Stoffe, insbesondere Chlor, Stickstoff, Schwefel, Kaliumchlorid und/oder Silikate aus den Gärresten nach ihrer Entfernung aus dem Fermenter ausgewaschen oder eluiert werden.
98. Verfahren nach Anspruch 97, bei dem die Auswaschung der Gärreste in dem Gärrestebunker (60) vorgenommen wird.
99. Verfahren nach Anspruch 97 oder 98, bei dem die Gärreste nach dem Auswaschen mechanisch dehydriert werden, insbesondere unter Verwendung einer Schneckenpresse (70) oder eines Dekanters.
100. Verfahren nach einem der Ansprüche 96 bis 99, bei dem die Gärreste in einer Trocknungseinrichtung, insbesondere einem Bandtrockner (142) oder einem Trommeltrockner mit Kontakttrocknung getrocknet werden.
101. Verfahren nach Anspruch 100, bei dem die Trocknungseinrichtung mit Abwärme von mindestens einem Gasmotor der Biogasanlage (10) betrieben wird.
102. Verfahren nach einem der Ansprüche 96 bis 101, bei dem die zumindest teilweise dehydrierten und gegebenenfalls getrockneten Gärreste mechanisch zerkleinert werden, insbesondere in einer Hammermühle (146) oder Strohmühle.
103. Verfahren nach einem der Ansprüche 96 bis 102, bei dem den zerkleinerten und zumindest teileweise dehydrierten und/oder getrockneten Gärresten eine oder mehrere der folgenden Zugaben beigemischt werden: Getreidemehl, Melasse, Stärke, Branntkalk, Dampf, Holzspäne, Sägemehl, Ölpresskuchen, Calzium, Magnesium, Aluminium, Stickstoff bindende Mittel, insbesondere Stickstoff reduzierende Reduktionsmittel, Kalkhydrat.
104. Verfahren nach einem der Ansprüche 96 bis 103, bei dem die zerkleinerten und dehydrierten Gärreste zu Pellets oder Briketts gepresst werden.
105. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 104, bei dem eine Aufkonzentration von Schadstoffen im Perkolat dadurch verhindert wird, dass ein Teil des im Umlauf befindlichen Perkolats aus dem Perkolatkreislauf, vorzugsweise regelmäßig, abgelassen wird.
106. Verfahren nach Anspruch 105, bei dem das Ablassen eines Teils des Perkolats über die Perkolat-Ringleitung (141) erfolgt, wobei der Teil des Perkolats in den Gärrestbunker und/oder in einen Tank entlassen wird, aus dem das Perkolat anschließend entsorgt wird.
107. Verfahren nach einem der Ansprüche 97 bis 99, bei dem die Reinigung der flüssigen Phase, insbesondere von den Schadstoffen Kalium, Stickstoff, Schwefel und Chlor, durch eine Ultrafiltration verbunden mit einer Umkehrosmose vorgenommen wird.
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