EP2379695A1

EP2379695A1 - Biomassekraftwerk

Info

Publication number: EP2379695A1
Application number: EP08875116A
Authority: EP
Inventors: Rudolf Loock
Original assignee: Helector Germany GmbH
Current assignee: Herhof Verwaltungs GmbH
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2011-10-26
Also published as: WO2010072231A1; CA2735669A1; US20110183410A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Biomassekraftwerk (100) für die Trocken-Nass- Simultanvergärung mit aus Trockenfermentem (19, 20) bestehenden Trockenfermentermodulen (11, 12). Um das Biomassekraftwerk (100) derart weiterzubilden, dass die Länge der Rohrleitungen für die Beförderung von Prozesswasser auf ein Minimum reduziert wird, schlägt die Erfindung vor, dass zwischen zwei Trockenfermentermodulen (11, 12) ein Prozesswasserspeicher (10) integriert ist.

Description

Biomassekraftwerk

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Biomassekraftwerk für die Trocken-Nass- Simultanvergärung mit aus Trockenfermentern bestehenden Trockenfer- mentermodulen.

Stand der Technik

Biomassekraftwerke der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und insbesondere von dem Ingenieurbüro Loock - Hamburg entwickelt worden.

Die Trocken-Nass-Simultanvergärung (Loock-TNS-Verfahren^R) wurde als Trockenfermentationsverfahren zur Erzeugung von Biogas aus fester Biomasse entwickelt. Diese Technologie wird im Stand der Technik als probates Mittel angesehen, neue Wege bei der Vergärung von organischen Substanzen mit hohen Trockensubstanzanteilen (TS) zu gehen.

Biomassekraftwerke der eingangs genannten Art bestehen im Wesentlichen aus zwei Hauptanlagenteilen, in denen die Umsetzung organischer Substanzen zu Biogas erfolgt, nämlich aus Trockenfermentermodulen, die sich wiederum aus mehreren Trockenfermentern zusammensetzen, sowie aus einem Prozesswasserspeicher. Hinzu kommt der Anlagenteil Blockheizkraftwerk zur Verstromung des entstehenden Biogases.

In einem Biomassekraftwerk der eingangs genannten Art erfolgt die Umsetzung des Biogases durch eine gesteuerte Berieselung des Substrats in den Trockenfermentern mit konditioniertem Prozesswasser, das in einem geregelten Kreislauf geführt, erzeugt und aufrechterhalten wird. Hierzu erfährt der sich in dem jeweiligen Trockenfermenter befindliche Substrat- haufen eine homogene Durchfeuchtung. Das Prozesswasser perkoliert dabei durch das Substrat und wird danach dem Prozesswasserspeicher zugeführt, der als gasdichter Behälter ausgebildet ist.

Mit dem Perkolat werden aus dem Substrat durch Hydrolyse gelöste organische Säuren in den Prozesswasserspeicher geführt, die Mikroorganismen als Nährung dienen. Innerhalb des gasdicht geschlossenen Prozesswasserspeichers bildet sich daher eine methanbildende Biologie aus, die kontinuierlich mit Nährstoffen durch die in den Trockenfermentern stattfindende Hydrolyse versorgt wird. Simultan zur Biogasproduktion durch Vergärung des Substrates mit hohen Feststoffgehalten in den Trockenfermentern entsteht kontinuierlich Biogas im Prozesswasserspeicher.

Die Kreislaufführung des Wassers hat dabei insofern einen weiteren Vorteil, als die in dem Prozesswasser vorhandene Mikrobiologie dazu genutzt wird, frisches Substrat in den Trockenfermentern anzuimpfen. Der Vergä- rungsprozess wird so beschleunigt und nutzbares Biogas in dem Trocken- fermenter nach einer erheblich kürzeren Anfahrzeit erzeugt.

Schon diese einführende Beschreibung zeigt auf, dass dem Prozesswasserspeicher in dem Biomassekraftwerk eine wichtige Bedeutung zukommt. Der Teil des Biomassekraftwerkes, der aus den aneinander gereihten Trockenfermentern besteht, befindet sich in Abhängigkeit von der Örtlichkeit in unterschiedlicher Entfernung vom Prozesswasserspeicher. Dazu müssen entsprechend lange isolierte Rohrleitungen zur Beförderung des temperierten Prozesswassers gefertigt werden, was wiederum einen hohen konstruktiven und kostenintensiven Aufwand bedeutet. Darstellung der Erfindung. Aufgabe. Lösung. Vorteile

Ausgehend von diesen Nachteilen sowie unter Würdigung des aufgezeigten Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Biomassekraftwerk der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Länge der Prozesswasserleitungen zwischen den Trockenfermentermodulen und dem Prozesswasserspeicher auf ein Minimum reduziert werden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen manifestieren sich in den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß der Erfindung ist zwischen zwei Trockenfermentermodulen mit vorzugsweise je vier Trockenfermentern ein Prozesswasserspeicher integriert.

Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, den Prozesswasserspeicher in möglichst unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Trockenfermentermodulen zu platzieren, um die Länge der Rohrleitungen für das Prozesswasser möglichst auf ein Minimum zu reduzieren. Dadurch, dass in einem Biomassekraftwerk die Trockenfermenter modulartig, d. h. in mehreren Blöcken angeordnet sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Prozesswasserspeicher zwischen den Trockenfermentermodulen angeordnet ist, so dass sich die Rohrleitungen für die Beförderung des Prozesswassers gewissermaßen von dem Prozesswasserspeicher zueinander symmetrisch zu den Trockenfermentermodulen erstrecken können. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich die Länge der Rohrleitungen zwischen den Trockenfermentermodulen und dem Prozesswasserspeicher auf ein Minimum reduziert sowie deren Fertigung aufgrund ihrer symmetrischen Anordnung rationell gestaltet werden kann. - A -

Um die für den Betrieb des Biomassekraftwerkes notwendige Maschinentechnik effizient nutzen zu können, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass acht Trockenfermenter in zwei Viererblöcken angeordnet sind, d. h. die Trockenfermentermodule jeweils vier Trockenfermenter aufweisen.

Es ist von Vorteil, dass die Trockenfermenter eine lichte Breite von maximal 4,5 m und eine lichte Höhe von maximal 5,0 m aufweisen. Diese Maße haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da bei dem daraus resultierenden Substratvolumen die gewünschte senkrechte und waagerechte Ausbildung der Kapillaren gewährleistet ist.

Zudem ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die Trockenfermenter zwecks Ablauf des Prozesswassers seitlich installierte Lochgittersegmente mit Ablaufrinnen aufweisen. Eine praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass die seitlichen Lochgittersegmente aus Edelstahl und/oder Kunststoff sind.

Eine Übersäuerung des Substrates im Trockenfermenter durch das eigene in der ersten Hydrolyse-Phase freiwerdende Säurepotential ist nämlich zusätzlich zu verhindern. Zur Effizienz des Verfahrens ist ein schnelles Ansiedeln von Bakterien aus dem Prozesswasser (Animpfen) und deren Stoffwechsel zu ermöglichen. Niedrige pH-Werte hemmen die methanbildenden Bakterien. Aus diesem Grund ist die Notwendigkeit der effektiven Entwässerung der Trockenfermenter durch das Ermöglichen eines seitlichen Wasseraustritts aus dem Substrathaufen eine wichtige weitere Erkenntnis der Erfindung. In der technischen Umsetzung wird diese effektive Entwässerung erfindungsgemäß durch die Lochgittersegmente erreicht. Vorzugsweise sind die Lochgittersegmente derart geneigt, dass ihr Abstand zu den Seitenwänden der Trockenfermenter nach oben hin zunimmt, d. h. die Lochgittersegnmente sind gestutzt. Insbesondere hat sich eine Neigung um 2° als vorteilhaft erwiesen. Die gestutzten Lochgittersegmente haben den Vorteil, dass sie die Durchlässigkeit des Wassers in dem Substrathaufen fördern und den Substrathaufen weniger verdichten.

Bei der Berieselung des Substrathaufens mit Prozesswasser ist für ein gleichmäßiges Vergärungsergebnis über das gesamte Substratvolumen auf eine gleichmäßige Wasserzugabe über die gesamte Oberfläche des Substrathaufens zu achten. Dies wird erfindungsgemäß, z.B. durch eine Reihe mittig in die Fermenterdecke eingelassener Düsen, vorzugsweise in Form von Vollkegeldüsen, realisiert. Mit dem aus den Trockenfermentern ablaufenden Wasser werden auch Fasern aus dem Substrat mitgeführt. Da das Prozesswasser ständig im Kreislauf geführt wird, reichern sich diese Fasern mit der Zeit im Prozesswasser an. Um ein Verstopfen der Düsen durch diese Fasern zu verhindern wird in das Prozesswasserleitungssystem ein selbstreinigender Zyklonfilter integriert.

Zweckmäßigerweise weisen die Trockenfermenter bodenseitig isobare Luftverteilungsvorrichtungen auf.

Hierbei hat sich der Einsatz speziell entwickelter Druckluftverteilungseinrichtungen in Form von Schwertdüsen mit isobarer Form, die mittig in Vertiefungen des Fermenterbodens eingebaut werden und deren Zuluftleitun- gen an einer der Längswände des Fermenters aus der Decke herausgeführt werden, als praktikabelste Lösung herauskristallisiert.

Als optimale Einrichtung kann über die Belüftungsdüsen neben einem mittels Seitenkanalgebläse erzeugten kontinuierlichen Luftstrom auch Druck- luft in kurzen Stößen von unten in den Substrathaufen eingebracht werden.

Mit dieser bodenseitigen Druck/Dauerbelüftung wird Luftsauerstoff direkt in den Substrathaufen geführt. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine Auflockerung und homogene Durchlüftung des Substrathaufens erreicht. Der definierte Abluftstrom kann ohne zusätzlichen Aufwand gefasst und einer Abluftreinigung zugeführt werden. Die für so genannte Batch-Verfahren stets erforderliche Aerobisierung des Trockenfermenters zur Sicherstellung der Gasfreiheit vor dem Offnen und Entleeren wird bei dieser kombinierten bodenseitigen Belüftung sehr effektiv erreicht.

Vorteilhafterweise umfasst das Kraftwerk einen Prozesswassersammel- schacht, der in Form eines Moduls mit dem Prozesswasserspeicher und/oder Trockenfermenter gekoppelt ist.

Eine weitere praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass der Pro- zesswassersammelschacht ein Volumen von mindestens 50 m³ aufweist. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Prozesswassersammelschacht auch die Funktion eines Perkolatzwischenspeichers erfüllen kann.

Vorzugsweise ist der Prozesswassersammelschacht gegenüber einer den Trockenfermentern nicht zugewandten Seite des Prozesswasserspeichers angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass oberhalb der Trockenfermentermodule und des Prozesswasserspeichers Maschinentechnik, Verrohrungen, Pumpen, Gebläse und Booster angeordnet sind. Zweckmäßigerweise sind an den dem Prozesswasserspeicher abgewandten Seiten der Trockenfermentermodule ein Gasspeicher und/oder ein Biofilter angeordnet.

Kurze Beschreibung der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen in schematischen Darstellungen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Biomassekraftwerk gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Biomassekraftwerks aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie B-B aus Fig. 1 und

Fig. 3 eine Schnittansicht des Biomassekraftwerks aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Biomassekraftwerk gemäß der Erfindung, das mit dem Bezugszeichen 100 versehen ist.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Aus Fig. 1 gehen wesentliche für den Betrieb des Biomassekraftwerks 100 notwendige Komponenten hervor, nämlich der Prozesswasserspeicher 10, die Trockenfermentermodule 11 , 12 sowie der Biofilter 13 und der Gasspeicher 14, wobei Verbindungsleitungen, beispielsweise in Gestalt von Rohrleitungen, zwischen diesen Komponenten in den Fig. 1 bis 3 nicht gezeigt sind. Ergänzt werden diese Komponenten, die sich in einer in Figur 1 nicht gezeigten Halle des Biomassekraftwerks 100 befinden durch den Prozesswassersammelschacht 15 sowie Treppenaufgänge 16, über die man die in Figur 2 gezeigten Trockenfermenterdecken 17, 18 erreicht, auf denen sich die Maschinentechnik, Verrohrungen, Pumpen, Gebläse und ein Teil der Rohrleitungen für die Beförderung des Prozesswassers befinden.

In der in Fig. 1 nicht explizit gezeigten Halle sind acht Trockenfermenter 19, 20 mit den Innenmaßen ca. 20 m x 4 m x 4 m in zwei Viererblöcken, d. h. in Gestalt der Trockenfermentermodule 11, 12 angeordnet. Zwischen die Trockenfermentermodule 11 , 12 ist der Prozesswasserspeicher 10 integriert und zwar derart, dass eine unmittelbare räumliche Nähe zwischen den Trockenfermentermodulen 11 , 12 und dem Prozesswasserspeicher 10 gegeben ist. Somit ist in erfindungswesentlicher Weise sichergestellt, dass die für die Beförderung des Prozesswassers notwendigen und in Fig. 1 nicht gezeigten Rohrleitungen zwischen Prozesswasserspeicher 10 und Trockenfermentern 19, 20 auf ein Minimum reduziert sind. Zudem ist in erfindungswesentlicher Weise gegeben, dass die Rohrleitungen, die sich von dem Prozesswasserspeicher 10 zu den Trockenfermentern 19, 20 erstrecken, zueinander symmetrisch verlaufen können. Über den Treppenaufgang 16 erreicht man die Trockenfermenterdecken, auf denen sich beispielsweise die Belüftungseinheiten, die für die Berieselung des in den Trockenfermentern befindlichen Substrats notwendigen Pumpen sowie weitere Maschinentechnik befinden (Fig. 2). Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Biomassekraftwerken zeichnet sich das erfindungsgemäße Biomassekraftwerk 100 also dadurch aus, dass der Prozesswasserspeicher 10 von den Trockenfermentermodulen 19, 20 räumlich nicht getrennt ist. Vielmehr sind die Trockenfermenter 11 , 12 untereinander sowie der Prozesswasserspeicher 10 und die zwei unmittelbar an dem Prozesswasserspeicher 10 angrenzenden Trockenfermenter 20 direkt nebeneinander angeordnet. Diese kompakte Bauweise führt übrigens auch dazu, dass die mit der Perkolation in dem geregelten Kreislauf einhergehenden Durchlaufzeiten verkürzt werden.

Wie aus Fig. 1 weiter hervorgeht, umfasst das Biomassekraftwerk 100 einen Prozesswassersammelschacht 15, der in Form eines Moduls mit dem Prozesswasserspeicher 10 und den Trockenfermentern 19, 20 gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Prozesswassersammelschacht 15 als austauschbare Komponente, d. h. modulartig in unmittelbarer räumlicher Umgebung der Trockenfermentermodule 11 , 12 und des Prozesswasserspeichers 10 angeordnet ist. Ein in den Erdboden ein- gefasster und zementierter Prozesswassersammelschacht ist erfindungsgemäß infolgedessen nicht vorgesehen.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung befindet sich der Prozesswassersammelschacht 15 gegenüber der den Trockenfermentern 19, 20 nicht zugewandten Seite des Prozesswasserspeichers 10. Der Prozesswassersammelschacht weist ein Volumen von mindestens 50 m³ auf, so dass der Prozesswassersammelschacht 15 auch die Funktion eines Perkolatzwischenspeichers erfüllen kann.

Als weitere technische Maßnahme ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass sich an den dem Prozesswasserspeicher 10 abgewandten Seiten 22, 23 der Trockenfermentermodule 11 , 12 ein Gasspeicher 14 und ein Biofilter 13 befindet. Der Biofilter 13 dient in bekannter Weise der Reinigung der Abluft aus den Trockenfermentern 19, 20 und ist ebenfalls modulartig ausgestaltet. Der Gasspeicher 14, der ein Volumen von ca. 400 m³ aufweist, erfüllt die an sich bekannte Funktion, das gewonnene Gas zunächst zu speichern.

Wie Fig. 3 veranschaulicht, weist der für die Aufnahme des Substrats vorgesehene Innenraum 25 eines Trockenfermenters 19, 20 im Schnitt eine rechteckförmige Form auf. Der Trockenfermenter hat dabei eine lichte Breite von max. 4,5 m und eine lichte Höhe von max. 5,0 m. Zudem sind die Trockenfermenter 19, 20 mit seitlich installierten Lochgittersegmenten 24, welche Ablaufrinnen aufweisen, versehen. Die Lochgittersegmente 24 sind dabei aus Edelstahl und/oder Kunststoff und derart geneigt, dass ihr Abstand zu den Seitenwänden der Trockenfermenter 19, 20 nach oben hin zunimmt. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind die Lochgittersegmente um einen Winkel 26 von 2° geneigt.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Beispielsweise kann die Anzahl der Trockenfermenter 19, 20 in einem Trockenfermentermodul 11 , 12 variieren.

Bezuαszeichenliste

100 Biomassekraftwerk

10 Prozesswasserspeicher

11 Trockenfermentermodul

12 Trockenfermentermodul

13 Biofilter

14 Gasspeicher

15 Prozesswassersammelspeicherschacht

16 Treppenaufgang

17 Trockenfermenterschacht

18 Trockenfermenterschacht

19 Trockenfermenter 0 Trockenfermenter

21 Seite

22 Seite

23 Seite 4 Lochg itterseg ment 5 Innenraum 6 Winkel

Claims

A n s p r ü c h e

1. Biomassekraftwerk (100) für die Trocken-Nass-Simultanvergärung mit aus Trockenfermentern (19, 20) bestehenden Trockenfermen- termodulen (11 , 12), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Trockenfermentermodule (11 , 12) ein Prozesswasserspeicher (10) integriert ist.

2. Biomassekraftwerk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenfermentermodule (11, 12) jeweils vier Trockenfer- menter (19, 20) aufweisen.

3. Biomassekraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Prozesswasserspeicher (10) und den beiden Trockenfermentermodulen (11, 12) Prozesswasserleitungen ausgebildet sind.

4. Biomassekraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenfermenter (19, 20) seitlich installierte Lochgittersegmente (24) mit Ablaufrinnen aufweisen.

5. Biomassekraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenfermenter (19, 20) eine lichte Breite von max. 4,5 m und eine lichte Höhe von max. 5,0 m aufweisen.

6. Biomassekraftwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochgittersegmente (24) aus Edelstahl und/oder Kunststoff sind.

7. Biomassekraftwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochgittersegmente (24) derart geneigt sind, dass ihr Abstand zu den Seitenwänden der Trockenfermenter (19, 20) nach oben hin zunimmt.

8. Biomassekraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochgittersegmente (24) um 2° derart geneigt sind, dass ihr Abstand zu den Seitenwänden der Trockenfermenter (19, 20) nach oben hin zunimmt.

9. Biomassekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenfermenter (19, 20) bodenseitig isobare Luftverteilungsvorrichtungen aufweisen.

10. Biomassekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenfermenter (19, 20) mit mittig in die Trockenfer- menterdecke (17, 18) integrierte Düsen versehen sind.

11. Biomassekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (100) einen Prozesswassersammelschacht (15) umfasst, der in Form eines Moduls mit dem Prozesswasserspeicher (10) und/oder den Trockenfermentem (19, 20) gekoppelt ist.

12. Biomassekraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesswassersammelschacht (15) ein Volumen von mindestens 50 m³ aufweist.

13. Biomassekraftwerk nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesswassersammelschacht (15) gegenüber einer den Trockenfermentem (20) nicht zugewandten Seite (21) des Prozesswasserspeichers (10) angeordnet ist.

14. Biomassekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Trockenfermenterdecke Maschinentechnik, Verrohrungen, Pumpen, Gebläse und Booster angeordnet sind.

15. Biomassekraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den dem Prozesswasserspeicher (10) abgewandten Seiten (22, 23) der Trockenfermentermodule (11 , 12) ein Gasspeicher (14) und/oder Biofilter (13) angeordnet sind.