EP2652117A2 - Verfahren und anlage zur methanisierung von biomasse - Google Patents

Verfahren und anlage zur methanisierung von biomasse

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Publication number
EP2652117A2
EP2652117A2 EP11796629.1A EP11796629A EP2652117A2 EP 2652117 A2 EP2652117 A2 EP 2652117A2 EP 11796629 A EP11796629 A EP 11796629A EP 2652117 A2 EP2652117 A2 EP 2652117A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
storage unit
gas storage
fermenter
methane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11796629.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Hempel
Oliver Jaroschek
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.)
Schmack Biogas GmbH
Original Assignee
Schmack Biogas GmbH
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
Application filed by Schmack Biogas GmbH filed Critical Schmack Biogas GmbH
Publication of EP2652117A2 publication Critical patent/EP2652117A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • 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
    • C12M23/24—Gas permeable parts
    • 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
    • C12M23/36—Means for collection or storage of gas; Gas holders
    • 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 method for methanization of biomass and energetic utilization of the biogas obtained in a device having at least one batch fermenter. It furthermore relates to a plant suitable for carrying out such a process for the methanization of biomass and the energetic utilization of the biogas obtained.
  • a plant type which is preferred for various boundary conditions is oriented towards the discontinuous, batch-type fermentation of pourable substrate with a relatively high dry matter content.
  • a comparatively high degree of flexibility with regard to the biomass to be methanized, ie the starting material, and a - even with rather inhomogeneous starting material - well controlled process control For example, DE 10257849 A1, DE 19719323 A1, DE 10050623 B4, EP 934998 B1, DE 10034279 A1, WO 02/06439 A2, EP1681274 A2, DE 102008015240 A1 and EP 1997875 A1 belong to the relevant prior art with regard to this type of installation ,
  • US Pat. No. 4,111,429 B2 also discloses a process of the type mentioned at the beginning for the methanation of biomass and a plant suitable for carrying out the process in question.
  • the latter preferably comprises a plurality of fermenters, which are operated out of phase with one another in a two- or three-stage process for the decomposition of organic substance.
  • the (anaerobic) methanization phase is preceded by a rotting phase in which the biomass is aerobically composted to form essentially CO 2 , the heat produced thereby heating the biomass and thereby promoting the subsequent fermentation.
  • further composting takes place, for which purpose the fermented substrate is aerated.
  • the individual fermenters of the plant are connected to each other, for example, to a fermenter - to stimulate the fermentation - with the one another, out-of-phase fermenter removed to inoculate leachate or to heat the biomass in another fermenter with the warm exhaust air from a fermenter operating in the aerobic phase in order to stimulate ethanization there.
  • the present invention has set itself the task of providing a particularly economical and at the same time environmentally sound method for methanating biomass and energetic utilization of the biogas obtained in a device having at least one batch fermenter and a plant suitable for carrying out the process in question.
  • the comparatively methane-poor gas mixture which leaves the fermenter during the rinsing phase and, taken by itself, has a low methane concentration counteracting economic energy recovery can be utilized in the facility which is available for the energy recovery of the "normal", ie methane-rich biogas which purpose it is initially collected in the second gas storage unit separated from methane-rich biogas formed in the fermentation phase and energetically utilized at a later time, wherein the gas taken from the second gas storage unit for the purpose of energy recovery with methane-rich biogas, which is taken at the same time the first gas storage unit, is mixed to an energetically used mixed gas.
  • the "normal" ie methane-rich biogas which purpose it is initially collected in the second gas storage unit separated from methane-rich biogas formed in the fermentation phase and energetically utilized at a later time
  • the proportion of energetically used biogas can be increased, which is beneficial for economic efficiency and, at the same time, because correspondingly less gas is released to the environment via a torch, a filter or another device. ben, which increases environmental compatibility. It is also advantageous for the economy that, in application of the present invention, the duration of the rinsing phase can be shortened significantly compared with the prior art, which, in other words, due to the reduced unproductive time
  • a likewise preferred form of energetic utilization of the biogas produced using the method according to the invention consists in its feeding into a natural gas network, in which case the gas transfer station or
  • Gas supply system is the device for the energetic utilization of biogas in the sense of the existing terminology.
  • the prerequisite for the gas feed is the achievement of the quality of natural gas, so that the biogas produced must still be treated prior to feeding with the biogas upgrading methods known from the prior art (eg desulfurization, drying, CO 2 removal).
  • both the first gas storage unit and the second gas storage unit serve solely to temporarily store gas taken from the fermenter (s) to subsequently energize the gas stored in the second gas storage unit by admixture with the first gas storage unit Gas storage unit to allow extracted gas.
  • the fermenters themselves therefore do not constitute gas storage units in the sense of the present invention.
  • the plant according to the invention for the methanization of biomass and energetic utilization of the biogas obtained comprises at least one airtight sealable feed opening, at least one gas outlet and a purge air inlet fermenter, at least one scavenge air blower , a first gas storage unit, a second gas storage unit, a gas line network connecting the at least one fermenter to the first and second gas storage unit, a gas control valve, a biogas energy recovery device, and a system control adjusting the gas control valves, the gas control valves the system control are adjustable so that with the at least one gas outlet either the first gas storage unit or the second gas storage unit and that optionally only the first e gas storage unit or at the same time both the first and the second gas storage unit with the means for energetic utilization of biogas are fluidically connectable.
  • the gas mixture leaving the fermenter can be fed into the first gas storage unit.
  • the gas mixture leaving the fermenter through the gas outlet often still has a relatively high methane concentration (eg a CH 4 content between 20% and 48%) under typical boundary conditions, so that it is comparable in terms of usability during the
  • Fermentation phase obtained methane-rich biogas. And even in the case of a significantly lower methane content (down to about 20%) affects - because of the resulting typical methanation processes proportions of the methane-rich biogas obtained during the fermentation phase and the gas mixture generated during purging of the fermenter with purging air, the feed of the fermenter in the first period of the rinsing phase through the gas outlet leaving still relatively methane-rich gas mixture (CH 4 - content, for example> 20%) in the first gas storage unit not adversely affect the usability of the methane-rich biogas stored there.
  • CH 4 - content for example> 20%
  • the fermenter leaving, very methane-poor gas mixture (CH 4 content, for example, ⁇ 4%) via a biofilter during a final period of purging given the environment.
  • CH 4 content for example, ⁇ 4%
  • the energetic usability of the gas stored there is obtained.
  • Generating biogas or a gas mixture that is located in the lower part of the chess gas eg CH 4 content between 4% and 10%
  • the installation intended to carry out the process in question is typically equipped with a device for monitoring the quality (ie the methane content) of the equipped respective fermenter leaving gas, the device in question acts on the plant control, so that the latter can operate the gas control valves in dependence on the respective gas quality.
  • the device in question acts on the plant control, so that the latter can operate the gas control valves in dependence on the respective gas quality.
  • a pure time control is considered, in which case empirical values of the duration of the individual phases and phase sections within the cycle 1 are utilized in the corresponding time programming of the system control ,
  • the formation and energetic utilization of the mixed gas preferably takes place intermittently.
  • the formation and energetic utilization of the mixed gas takes place during the biomass change (steps f and a) and the first period of the subsequent fermentation phase (start-fermentation phase), wherein the energetic utilization of the mixed gas can possibly also be initiated towards the end of the rinsing phase.
  • start-fermentation phase the first period of the subsequent fermentation phase
  • the second gas storage unit is driven substantially empty during the start-fermentation phase.
  • a biogas with a methane concentration that is so high may, if appropriate, also be formed in the start-up fermentation phase in such a way that feeding the biogas into the first gas storage unit that is leaving the fermenter in this phase is expedient.
  • the phases of feeding the relatively low-methane gas mixture in the second gas storage unit during the purging phase are substantially shorter than the phases of removal of gas from the second gas storage unit for its energy recovery.
  • the energy recovery of the gas stored in the second gas storage unit is typically extended over a longer period of time compared to the duration of feeding the relatively low-methane gas mixture into the second gas storage unit during the purge phase.
  • the rinsing process is made comparatively short in terms of high productivity. that can.
  • the flushing process of typically sized fermenters eg 1,000 m 3
  • a further particularly preferred embodiment of the present invention is characterized in that the duration of the rinsing phase only about 0.2 to 1.0%, more preferably even only about 0.3 to 0.8% of the total cycle time is.
  • the particularly short rinsing phase possible in application of the present invention can also be expressed by the fact that the gas exchange rate during rinsing of the fermenter with rinsing air is preferably between 1 / h and 10 / h , Particularly preferably between 2 / h and 6 / h, based on the volume of gas in the fermenter chamber.
  • methane concentration in the second gas storage unit by feeding methane-rich biogas is always above the value of 16.5% and thus above the upper explosive limit for methane in air is held.
  • Perkolatfermenter is deducted. Exactly that of the percolate fermenter withdrawn methane-rich biogas is thus fed in this embodiment of the invention in the second gas storage unit, namely, as stated, as a template gas before the methane-poor gas mixture is fed from the rinsing phase in the second gas storage unit.
  • methane-rich biogas discharged from a percolate fermenter be fed into the second gas storage unit as said template gas.
  • methane-rich biogas which is formed in the fermenter in the fermentation phase, is fundamentally also suitable for this purpose.
  • the feeding of methane-rich biogas into the second gas storage unit can in particular also be carried out from the fermenter during the fermentation phase. It is also conceivable that for enrichment tion of the gas stored in the second gas storage unit of the first gas storage unit methane-rich biogas and is fed into the second gas storage unit.
  • the process of the invention is by no means dependent on (methane-rich) biogas formed in a percolate fermenter, so that it can accordingly also run in plants that have no percolate fermenter or in which the biogas formed in a percolate fermenter is otherwise used.
  • Rinsing in this case should by no means only be understood to mean the replacement of the gas existing over the fermentation substrate by air. Rinsing also involves actively stopping the remaining methane formation by removing the (anaerobic)
  • Methane-forming bacteria are exposed to an aerobic atmosphere, wherein even during the rinsing process, a certain amount of methane is newly formed.
  • the rinse is quite a part of the biological processes.
  • this process section can be accelerated due to the specific treatment of the gas mixture leaving the fermenter during the rinsing phase, and the duration of the rinsing phase can thereby be shortened.
  • the gas line network for each fermenter can certainly also include two gas lines, wherein biogas is fed through one of the two gas lines of the first gas storage unit and gas through the other gas line of the second gas storage unit and each of the two gas lines at a separate opening connected to the fermenter in question.
  • biogas is fed through one of the two gas lines of the first gas storage unit and gas through the other gas line of the second gas storage unit and each of the two gas lines at a separate opening connected to the fermenter in question.
  • the gas pipeline network can also comprise a connecting line connecting the two gas storage units with one another, by means of which is passed through if necessary methane-rich biogas from the first gas storage unit in the second gas storage unit to enrich the gas stored there (see above).
  • shut-off valves are expediently proportional valves, which between the complete
  • the fully closed position can take any intermediate positions in order to set the respective flow as desired.
  • the plant is operated in accordance with the invention depends on various current and plant-specific parameters and in particular the individual biomass.
  • the type of device for energy recovery of the biogas obtained determines with which methane gas biogas can be utilized, it should be noted in view of the above values that future technological developments, for example, the combustion of biogas in a combined heat and power plant even at methane concentrations of significantly less than 48% is conceivable.
  • the volume of the fermenter, the substrate level and the scavenging air blower typically determine which volume of gas mixture is formed with which methane concentration during the rinsing process.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a plant comprising three fermenters for the methanation of biomass and energetic utilization of the biogas obtained according to the present invention
  • the system shown in FIG. 1 for the methanation of biomass and energetic utilization of the biogas obtained comprises three identically constructed, rack-shaped fermenters 1.
  • Each of the fermenters 1 has an airtight sealable feed opening 2, a first gas outlet 3, a second gas outlet 4 and a with a corresponding scavenging air fan 5 in connection scavenging air inlet 6.
  • the plant is equipped with a percolate system, which is a percolate container 7, which also represents a Perkolatfermenter 8, and a Includes percolate cycle.
  • the percolate cycle in this case has percolate lines 9, pumps 10 and 11 and each fermenter 1 a - each controllable via a lockable valve 43 - irrigation strand 12 and a gutter 13.
  • two gas storage units are provided, namely a first gas storage unit 14 and a second gas storage unit 15, each of which comprises at least one gas storage of conventional design.
  • the fermenters 1 are connected to the two gas storage units 14 and 15 via a gas line network 16.
  • This comprises a first gas line 17 and a second gas line 18, the first gas line 17 (correspondingly branched), the first gas storage unit 14 each via a lockable valve 19 with the
  • a controllable directional control valve 21 is provided, by means of which the fermenter 1 or gas leaving via the respective second gas outlet 4 can optionally be supplied to an advancing gas system 22 instead of the second gas storage unit 15.
  • the fortification system 22 comprises a biofilm ter 23 and a gas torch 24, which can optionally be - applied via another controllable directional control valve 25.
  • the first gas storage unit 14 and the second gas storage unit 15 are connected to each other by means of a connecting line 26, in which a lockable valve 27 is arranged, wherein in the connecting line 26, if necessary, a - not shown - blower or a compressor may be provided to Biogas from the first gas storage unit 14 in the second gas storage unit 15 to promote. Furthermore, the connecting line 26, if necessary, a - not shown - blower or a compressor may be provided to Biogas from the first gas storage unit 14 in the second gas storage unit 15 to promote. Furthermore, the connecting line 26, if necessary, a - not shown - blower or a compressor may be provided to Biogas from the first gas storage unit 14 in the second gas storage unit 15 to promote. Furthermore, the connecting line 26, in which a lockable valve 27 is arranged, wherein in the connecting line 26, if necessary, a - not shown - blower or a compressor may be provided to Biogas from the first gas storage unit 14 in the second gas storage unit 15 to promote. Furthermore, the connecting line 26,
  • Perkolatfermenter 8 connected via a (correspondingly branched) gas line 28 with both the first gas storage unit 14 and the second gas storage unit 15, wherein in each of the two strands a lockable valve 29 and 30 is arranged.
  • the energy utilization of the recovered biogas serving device 31 includes a cogeneration unit 32, which is connected to a Nutzgas-line network 33, which forms part of the gas line network 16, both with the first gas storage unit 14 and with the second gas storage unit 15.
  • a gas mixer 34 is arranged in which a first useful gas line 36 connected to the first gas storage unit 14 via a lockable valve 35 and a second gas storage unit 15 via a lockable valve 37
  • All controllable and lockable valves and the pumps 10 and 11, the flushing fan 5 and the cogeneration unit 32 are controllable by means of the system controller 40.
  • the system controller 40 also utilizes current operating data of the combined heat and power plant 32, and in particular the measurement data provided by sensors 41 and 42 for the methane content of the gas present in the first gas storage unit 14 or the second gas storage unit, the latter in particular with regard to the above
  • the Plant control 40 different further, for example, in the gas lines 17, 18 and 28 determined measurements of gas qualities and flow rates are taken into account.
  • the operating cycle is roughly subdivided into four phases, namely feeding the fermenter with biomass (section I), fermentation phase (section II), rinsing phase (section III) and discharge phase (section IV).
  • the indicated positions of the various valves show, on the one hand, the phase-wise changing charge of the two gas storage units 14 and 15 from the respective fermenter 1 and the percolate fermenter 8 and, on the other hand, also the phase-wise alternating removal of gas from the two gas storage units 14 and 15 for the purpose of energy recovery in the Block CHP 32 on.
  • both gas outlets 3 and 4 are closed by means of the associated valves 19 and 20.
  • a mixed gas (methane content approximately between 48% and 60%) is burned in the combined heat and power plant 32, which is in the Gasmi 34 is formed by mixing gas extracted from the first gas storage unit 14 (via the opened valve 35) and the second gas storage unit 15 (via the opened valve 37).
  • the percolate fermenter 8 feeds methane-rich biogas into the first gas storage unit 14 in this phase (via the opened valve 29).
  • phase II During a more or less extensive first stage of the fermentation phase (Phase II), very low methane, initially still residual air containing gas in the fermenter 1 (via the appropriately controlled valves 20 and 21) first to the biofilter 23 and then (after reversing the valve 21) relatively low-methane biogas in the second gas storage unit 15 are fed. In this period (start-fermentation phase) mixed gas is still burned in the cogeneration unit 32. The percolate fermenter continues to feed methane-rich biogas into the first gas storage unit 14 during this period.
  • methane-rich biogas produced in the fermenter 1 (via the open valve 19 with the valve 20 closed) is fed into the first gas storage unit 14.
  • mixed gas is further burned in the combined heat and power plant 32 until such time as the second gas storage unit 15 is empty, before subsequently excluding the first gas storage unit 14
  • the valves 29 and 30 are reversed (at the same time), so that methane-rich biogas from the percolate fermenter 8 is fed into the second gas storage unit 15, alternatively or additionally also methane-rich biogas from the first gas storage unit 14 into the second gas storage unit 15 can be fed, with open valve 27 through the connecting line 26 therethrough.
  • the fermenter 1 leaving, typically still relatively rich in methane gas mixture, depending on the specific parameters to applicable gas quantity and quality, in the first gas storage unit 14 or abe the second gas storage unit 15 are fed.
  • the fermenter 1 leaving relatively methane-poor gas mixture is fed into the second gas storage unit 15.
  • biogas which has been removed from the first gas storage unit 14 is also burned in the cogeneration plant.
  • the duration of the continued supply of methane-rich template gas into the second gas storage unit 15 from the percolate fermenter 8 (via the opened valve 30) and / or the first gas storage unit 14 (via the opened valve 27) z the beginning of the rinsing phase depends on the estimated Demand for methane-rich biogas in order to maintain the methane content of the gas in the second gas storage unit 15 always above the upper explosion limit.
  • valves 29 and 30 are reversed again, so that from there on methane-rich biogas from the percolate fermenter 8 is fed back into the first gas storage unit 14. Also during this phase, the first gas storage unit 14 further biogas is burned in the combined heat and power plant.
  • the very methane-poor gas mixture leaving the fermenter 1 (with a methane content below the lower explosion limit) is discharged to the environment via the biofilter 23, for which purpose the valve 21
  • Gas mixer 34 is formed by mixing gas extracted from the first gas storage unit 14 and the second gas storage unit 15 extracted gas.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases in einer mindestens einen im Batchverfahren arbeitenden Fermenter (1) aufweisenden Einrichtung wird der Fermenter (1) mit Biomasse befüllt, die Beschickungsöffnung (2) luftdicht verschlossen, in einer Vergärungsphase entstehendes methanreiches Biogases zumindest zeitweise in eine erste Gasspeichereinheit (14) eingespeist, während des Spülens des Fermenters (1) mit Spülluft zumindest zeitweises methanarmes Gasgemisch in eine zweite Gasspeichereinheit (15) eingespeist, die Beschickungsöffnung (2) geöffnet und Gärrest aus dem Fermenter (1) entfernt. Die energetische Verwertung des in der zweiten Gasspeichereinheit (15) gespeicherten Gases erfolgt dergestalt, dass dieser Gasspeichereinheit entnommenes Gas mit der ersten Gasspeichereinheit (14) entnommenem Biogas gemischt wird, bevor das so erzeugte Mischgas anschließend energetisch verwertet wird.

Description

Verfahren und Anlage zur Methanisierung von Biomasse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases in einer mindestens einen im Batchverfahren arbeitenden Fermenter aufweisenden Einrichtung. Sie betrifft des Weiteren eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Anlage zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases .
Verfahren zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases sowie zur Durchführung derartiger Verfahren geeignete Anlagen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. So gibt es eine Reihe unterschiedlicher Konzeptionen, die sich beispielsweise hinsichtlich der Konsistenz des zu methanisierenden Biomasse (pumpfähiges Substrat einerseits oder schüttfähiges Substrat mit relativ hohem Trockensubstanzgehalt andererseits) oder der Prozessführung (kontinuierlich im Durchlauf betriebene Fermenter einerseits oder diskontinuierlich, im
Batchverfahren betriebene Fermenter andererseits) unterscheiden.
Ein für verschiedene Randbedingungen bevorzugter Anlagentyp ist ausgerichtet auf die diskontinuierliche, im Batchverfahren erfolgende Fermentation von schüttfähigem Substrat mit relativ hohem Trockensubstanzgehalt . Hier kommen als praxisrelevante Aspekte zum Tragen ein vergleichsweise geringer anlagentechnischer Aufwand, eine vergleichsweise große Flexibilität hinsichtlich der zu methanisierenden Biomasse, d.h. des Ausgangsmaterials, und eine - auch bei eher inhomogenem Ausgangsmaterial - gut beherrschbare Prozessführung. Zum einschlägigen Stand der Technik im Hinblick auf diesen Anlagentyp zählen beispielsweise die DE 10257849 AI, DE 19719323 AI, DE 10050623 B4 , EP 934998 Bl, DE 10034279 AI, WO 02/06439 A2 , EP 1681274 A2 , DE 102008015240 AI und EP 1997875 AI.
Auch die US 7211429 B2 offenbart ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Methanisierung von Biomasse sowie eine zur Durchführung des betreffenden Verfahrens geeignete Anlage. Letztere umfasst bevorzugt mehrere Fermenter, die zueinander phasenversetzt in einem zwei- oder dreistufigen Verfahren zum Abbau organischer Substanz betrieben werden. Dabei ist der (anaeroben) Me- thanisierungsphase eine Rottephase vorgeschaltet, in der die Biomasse aerob unter Bildung im Wesentlichen von C02 kompostiert wird, wobei die hierbei entstehende Wärme die Biomasse erwärmt und hierdurch die anschließende Vergärung begünstigt. Optional erfolgt nach dem Abschluss der Methanisierung eine weitere Kompostierung, zu welchem Zweck das ausgegorene Substrat belüftet wird. Die einzelnen Fermenter der Anlage sind untereinander verbunden, beispielsweise um einen Fermenter - zur Stimulierung der Vergärung - mit dem einem anderen, phasenversetzt arbeitenden Fermenter entnomme- nen Sickerwasser zu impfen oder um mit der warmen Abluft eines in der aeroben Phase betriebenen Fermenters die Biomasse in einem anderen Fermenter zu erwärmen, um dort die ethanisierung zu stimulieren.
Während die bekannten Anlagen und Verfahren mittlerweile in einem durchaus zufriedenstellenden Maße prozesssicher und zuverlässig arbeiten, wird noch nach
Möglichkeiten gesucht, um die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Denn nur bei der Bereitstellung von Verfahren und Anlagen, die noch wirtschaftlicher arbeiten als bisher, und zwar ohne Einbuße an Umweltverträglichkeit, ist mit einer ökologisch erwünschten weiteren Verbreitung der Technologie zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases zu rechnen .
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein besonders wirtschaftliches und zugleich umweltverträgliches Verfahren zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases in einer mindestens einen im Batchverfahren arbeitenden Fermenter aufweisenden Einrichtung und eine zur Durchführung des betreffenden Verfahrens geeignete Anlage bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie im Anspruch 1 angegeben, durch ein Verfahren zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases in einer min- destens einen im Batchverfahren arbeitenden Fermenter aufweisenden Einrichtung, umfassend die sich in dem mindestens einen Fermenter zyklisch wiederholende Abfolge der folgenden Schritte:
a) Befüllen des Fermenters mit Biomasse durch eine zur Umgebung geöffnete Beschickungsöffnung, b) luftdichtes Verschließen der Beschickungsöffnung, c) Einspeisen der in einer Vergärungsphase entstehenden methanreichen Biogases zumindest zeitweise in eine erste Gasspeichereinheit,
d) Spülen des Fermenters mit Spülluft und zumindest zeitweises Einspeisen des während der Spülphase den Fermenter verlassenden methanarmen Gasgemisches in eine zweite Gasspeichereinheit,
e) Öffnen der Beschickungsöffnung und
f) Entfernen des Gärrests aus dem Fermenter,
wobei der zweiten Gasspeichereinheit Gas entnommen und mit der ersten Gasspeichereinheit entnommenem Biogas gemischt und das so erzeugte Mischgas anschließend energetisch verwertet wird.
Im funktionalen Zusammenwirken mit den übrigen Merkmalen, wie sie für das erfindungsgemäße Verfahren bestimmend sind, ist dabei für letzteres von besonderer
Bedeutung, dass das Gas, welches während des Spülens des jeweiligen Fermenters mit Spülluft den Fermenter durch den Gasauslass verlässt, zumindest während eines zeitlichen Abschnitts der Spülphase in eine zweite Gasspeichereinheit eingespeist wird, die von der (ersten) Gasspeichereinheit getrennt ist, in welche zumindest während eines Teils der Vergärungsphase das den betreffenden Fermenter durch den Gasauslass verlassende methanreiche Biogas (CH4-Gehalt z.B. > 48%) eingespeist wird, und dass weiterhin Gas, das der zweiten Gasspeichereinheit entnommen wird, mit der ersten Gasspeichereinheit entnommenem Biogas gemischt und das so erzeugte Mischgas anschließend energetisch verwertet wird. Hierdurch lassen sich auf überraschend einfache Weise gleich mehrere sich auf die Wirtschaftlichkeit positiv auswirkende Effekte erzielen. Zum einen kann auch das vergleichsweise methanarme Gasgemisch, das während der Spülphase den Fermenter verlässt und für sich genommen eine der wirtschaftlichen energetischen Verwertung entgegenstehende geringe Methankonzentration aufweist, in der für die energetische Verwertung des "normalen", d.h. methanreichen Biogases bereitstehenden Einrichtung verwertet werden, zu welchem Zweck es zunächst in der zweiten Gasspeichereinheit getrennt von in der Vergärungsphase gebildeten methanreichen Biogas aufgefangen und zu einem späteren Zeitpunkt energetisch verwertet wird, wobei das der zweiten Gasspeichereinheit zum Zwecke der energetischen Verwertung entnommene Gas mit methanreichem Biogas, das zeitgleich der ersten Gasspeichereinheit entnommen wird, zu einem energetisch verwerteten Mischgas gemischt wird. Auf diese Weise lässt sich gegenüber den bekannten Verfahren der Anteil an energetisch verwertetem Biogas steigern, was der Wirtschaftlichkeit zugute kommt und zugleich, weil entsprechend weniger Gas über eine Fackel, einen Filter oder eine sonstige Einrichtung an die Umgebung abgege- ben wird, die Umweltverträglichkeit steigert. Ebenfalls ist für die Wirtschaftlichkeit von Vorteil, dass sich in Anwendung der vorliegenden Erfindung, verglichen mit dem Stand der Technik, die Dauer der Spülphase signifikant verkürzen lässt, wodurch, mit anderen Worten, aufgrund der reduzierten unproduktiven Zeit die
Produktivität des jeweiligen Fermenters und somit der Anlage insgesamt gesteigert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren anwendende Anlagen können bei ansonsten mit dem Stand der Technik vergleichbarer Auslegung auf diese Weise einen höheren Durchsatz an Biomasse verarbeiten. Weiterhin ist für die Wirtschaftlichkeit günstig, dass sich durch die Speicherung zweier unterschiedlicher Gasqualitäten in der ersten und der zweiten Gas- speichereinheit gezielt Einfluss nehmen lässt auf die Qualität des der Einrichtung zur energetischen Verwertung des Biogases zugeführten Gases. So kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung wähl- und bedarfsweise während ausgewählter Phasen nur der ersten Gasspeichereinheit entnommenes methanreiches Biogas in der hierfür vorgesehenen Einrichtung energetisch verwertet werden und während anderer Phasen das vorliegend beschriebene Mischgas, das durch Mischung von der zweiten Gasspeichereinheit entnommenem Gas mit der ersten Gasspeichereinheit entnommenem methanreichen Biogas gebildet wird. Die in Anwendung der vorliegenden Erfindung mögliche gezielte Einflussnahme auf die Qualität des der Einrichtung zur energetischen Verwertung des Biogases zugeführten Gases, namentlich in Form einer
Vergleichmäßigung der Gasqualität bzw. deren Anpassung an die aktuellen Leistungsanforderungen sowie die Betriebscharakteristik der Einrichtung zur energetischen Verwertung des Biogases, kommt der Effizienz und der Lebensdauer des Blockheizkraftwerks bzw. der sonstigen zur energetischen Verwertung des Biogases vorgesehenen Einrichtung (z.B. Gasmotor) zugute. Eine ebenfalls bevorzugte Form der energetischen Verwertung des in Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens produzierten Biogases besteht in dessen Einspeisung in ein Erdgasnetz, wobei in diesem Falle bei der entsprechenden erfindungsgemäßen Anlage die Gasübergabestation bzw.
Gaseinspeisungsanlage die Einrichtung zur energetischen Verwertung des Biogases im Sinne der vorliegenden Terminologie darstellt. Voraussetzung für die Gaseinspeisung ist allerdings das Erreichen der Erdgasqualität, so dass das erzeugte Biogas vor der Einspeisung noch mit den aus dem Stand der Technik bekannten Biogasauf - bereitungsmethoden (z.B. Entschwefelung, Trocknung, C02-Entfernung) aufbereitet werden muss .
Aus den vorstehend dargelegten Zusammenhängen ist ersichtlich, dass sowohl die erste Gasspeichereinheit als auch die zweite Gasspeichereinheit allein dem Zweck dienen, dem Fermenter bzw. den Fermentern entnommenes Gas zwischenzuspeichern, um die anschließende energetische Verwertung des in der zweiten Gasspeichereinheit zwischengespeicherten Gases durch Zumischung zu der ersten Gasspeichereinheit entnommenem Gas zu ermöglichen. Insbesondere laufen in den beiden Gasspeichereinheiten, anders als in den Fermentern, nicht im nennenswerten Umfang biologische Prozesse ab, durch die sich die Zusammensetzung des in der jeweiligen Gasspeichereinheit vorhandenen Gases substantiell verändern würde. Insbesondere stellen die Fermenter selbst somit keine Gasspeichereinheiten im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
Um das vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Verfahren ausführen zu können, umfasst die erfindungsgemäße Anlage zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases, wie im Anspruch 14 angegeben, mindestens einen eine luftdicht verschließbare Beschickungsöffnung, mindestens einen Gasauslass sowie einen Spüllufteinlass aufweisenden Fermenter, mindestens ein Spülluftgebläse, eine erste Gasspeichereinheit, eine zweite Gasspeichereinheit, ein den mindestens einen Fermenter mit der ersten und der zweiten Gasspeichereinheit verbindendes, eine Mehrzahl von Gas- steuerventilen aufweisendes Gasleitungsnetz, eine Einrichtung zur energetischen Verwertung von Biogas und eine die Gassteuerventile verstellende Anlagensteuerung, wobei die Gassteuerventile mittels der Anlagensteuerung dergestalt verstellbar sind, dass mit dem mindestens einen Gasauslass wahlweise die erste Gasspeichereinheit oder die zweite Gasspeichereinheit und dass wahlweise nur die erste Gasspeichereinheit oder zeitgleich sowohl die erste als auch die zweite Gasspeichereinheit mit der Einrichtung zur energetischen Verwertung von Biogas strömungstechnisch verbindbar sind. Bei spezifischen Randbedingungen kann, gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, während eines ersten Zeitabschnitts des Spülens das den Fermenter verlassende Gasgemisch in die erste Gasspeichereinheit eingespeist werden. In diesem ersten Zeitabschnitt der Spülphase verfügt das den Fermenter durch den Gasauslass verlassende Gasgemisch bei typischen Randbedingungen häufig noch über eine relativ hohe Methankonzentration (z.B. einen CH4 -Gehalt zwischen 20% und 48%) , so dass es hinsichtlich der Verwertbarkeit vergleichbar ist zu dem während der
Vergärungsphase gewonnenen methanreichen Biogas. Und selbst im Falle eines signifikant geringeren Methangehalts (bis herunter zu etwa 20%) wirkt sich - wegen der sich bei typischen Methanisierungsprozessen einstellenden Mengenverhältnisse des während der Vergärungsphase gewonnenen methanreichen Biogases und des beim Spülen des Fermenters mit Spülluft erzeugten Gasgemisches die Einspeisung des den Fermenter in dem ersten Zeitabschnitt der Spülphase durch den Gasauslass verlassenden noch immer relativ methanreichen Gasgemisches (CH4- Gehalt z.B. > 20%) in die erste Gasspeichereinheit nicht nachteilig auf die Verwertbarkeit des dort gespeicherten methanreichen Biogases aus .
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird während eines letzten Zeitabschnitts des Spülens das den Fermenter verlassende, sehr methanarme Gasgemisch (CH4-Gehalt z.B. < 4%) über ein Biofilter an die Umgebung abgegeben. Indem dieses äußerst methanarme Gasgemisch nicht in die zweite Gasspeichereinheit eingespeist wird, wird die energetische Nutzbarkeit des dort gespeicherten Gases erhalten. Zudem ergeben sich auch sicherheitstechnische Vorteile, die weiter unten erläutert werden. Entstehendes Biogas oder ein Gasgemisch, das im unteren Bereich des Schachgases anzusiedeln ist (z.B. CH4-Gehalt zwischen 4% und 10%), kann bei Bedarf mittels einer Fackel (mit Stützfeuerung) verbrannt werden; bei einem Methangehalt von über 10% kommt im Bedarfsfalle auch eine Verbrennung mittels einer Fackel ohne Stützfeuerung in Betracht.
Bei Zugrundlegung der vorstehend angegebenen typischen Werte für die Einteilung des gebildeten Biogases bzw. Gasgemisches (beim Spülen) in methanreiches Biogas (CH4-Gehalt z.B. > 48%), relativ methanreiches Gas (CH -Gehalt z.B. zwischen 20% und 48%), relativ methanarmes Gas bzw. Schwachgas (CH4 -Gehalt z.B. zwischen 4% und 20%) und sehr methanarmes Gas bzw. Restgas (CH4- Gehalt z.B. < 4%) wird somit in Anwendung der vorliegenden Erfindung in die zweite Gasspeichereinheit typischerweise das den Fermenter, wenn dieser mit Spülluft gespült wird, verlassende Gasgemisch eingespeist, wenn dessen Methangehalt z.B. zwischen 4% und 20% beträgt, ggf. auch relativ methanreiches Biogas mit einem Methangehalt z.B. zwischen 20% und 48%. Folglich ist die zur Durchführung des betreffenden Verfahrens bestimmte Anlage typischerweise mit einer Einrichtung zur Überwachung der Qualität (d.h. des Methangehalts) des den jeweiligen Fermenter verlassenden Gases ausgestattet, wobei die betreffende Einrichtung auf die Anlagensteuerung wirkt, so dass letztere die Gassteuerventile in Abhängigkeit von der jeweiligen Gasqualität betätigen kann. Alternativ kommt indessen statt einer kontinuierlichen Überwachung der Gasqualität und Berücksichtigung des entsprechenden Messwertes in der Anlagensteuerung beispielsweise auch eine reine Zeitsteuerung in Betracht, wobei in diesem Falle bei der entsprechenden Zeitprogrammierung der Anlagensteuerung Erfahrungswerte zu der Dauer der einzelnen Phasen und Phasenabschnitte innerhalb des Zyklus1 verwertet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bildung und energetische Verwertung des Mischgases bevorzugt intermittierend. Besonders bevorzugt erfolgt die Bildung und energetische Verwertung des Mischgases während des Biomassewechsels (Schritte f und a) und des ersten Zeitabschnitts der anschließenden Vergärungsphase (Anfahr-Vergärungsphase) , wobei die energetische Verwertung des Mischgases ggf. auch bereits gegen Ende der Spülphase eingeleitet werden kann. Besonders günstig ist dabei, wenn die zweite Gasspeichereinheit während der Anfahr-Vergärungsphase im Wesentlichen leer gefahren wird.
Bei spezifischen Randbedingungen kann, gemäß einer wiederum anderen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, nach dem Verschließen der Beschickungsöffnung in einem ersten Zeitabschnitt der Vergärungs- phase (Anfahr-Vergärungsphase) entstehendes, typischerweise relativ methanarmes Biogas in die zweite Gasspeichereinheit eingespeist werden. Hierdurch kann die Qualität des in der ersten Gasspeichereinheit gespeicherten methanreichen Biogases auf einem höheren Niveau gehalten werden als im Falle einer Einspeisung des gesamten Biogases in die erste Gasspeichereinheit vom Beginn der Vergärungsphase an. In Abhängigkeit von der spezifischen Biomasse kann ggf. allerdings auch bereits in der Anfahr-Vergärungsphase ein Biogas mit einer derart hohen Methankonzentration entstehen, dass eine Einspeisung des den Fermenter in dieser Phase verlassenden Biogases in die erste Gasspeichereinheit zweckmäßig ist .
Typischerweise sind bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Phasen der Einspeisung des relativ methanarmen Gasgemisches in die zweite Gasspeichereinheit während der Spülphase wesentlich kürzer sind als die Phasen der Entnahme von Gas aus der zweiten Gasspeichereinheit für dessen energetische Verwertung. Mit anderen Worten, die energetische Verwertung des in der zweiten Gasspeichereinheit gespeicherten Gases wird typischerweise über einen längeren Zeitraum gestreckt, verglichen mit der Dauer der Einspeisung des relativ methanarmen Gasgemisches in die zweite Gasspeichereinheit während der Spülphase. Hier kommt zum Tragen, dass in Anwendung der vorliegenden Erfindung der Spülvorgang, wie weiter oben bereits dargelegt, im Sinne einer hohen Produktivität vergleichsweise kurz gestaltet wer- den kann. So kann der Spülvorgang bei typisch dimensionierten Fermentern (z.B. 1.000m3) u.U. auf wenige Stunden verkürzt werden. In diesem Sinne zeichnet sich eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass die Dauer der Spül- phase lediglich etwa 0,2 bis 1,0%, besonders bevorzugt sogar nur etwa 0,3 bis 0,8% der gesamten Zyklusdauer beträgt. Was die Geschwindigkeit des Gaswechsels innerhalb des Fermenters in der Spülphase betrifft, so lässt sich die in Anwendung der vorliegenden Erfindung mögliche besonders kurze Spülphase auch dadurch zum Ausdruck bringen, dass die Gaswechselrate beim Spülen des Fermenters mit Spülluft bevorzugt zwischen 1/h und 10/h, besonders bevorzugt zwischen 2/h und 6/h, bezogen auf das Gasvolumen im Fermenterraum, beträgt.
Unter sicherheitstechnischen Aspekten ist es, gemäß einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, besonders günstig, wenn die Methankonzentration in der zweiten Gasspeichereinheit durch Einspeisung von methanreichem Biogas stets oberhalb des Werts von 16,5% und somit oberhalb der oberen Explosionsgrenze für Methan in Luft gehalten wird.
Hierbei wird berücksichtigt, dass aufgrund der Einspeisung eines den Fermenter während der Phase, während derer er mit Spülluft gespült wird, verlassenden Gasgemischs auch Luft in die zweite Gasspeichereinheit gelangt. Wird im Sinne der vorliegenden Weiterbildung durch die Einspeisung von methanreichem Biogas in die zweite Gasspeichereinheit, und zwar bevorzugt vor dem Einspeisen des relativ methanarmen Gasgemisches aus der Spülphase, die Methankonzentration des in der zweiten Gasspeichereinheit vorhandenen Gases stets oberhalb des Werts der oberen Explosionsgrenze in Luft gehalten, ist das Risiko einer Gasexplosion minimiert.
Sehr geeignet ist für die vorliegend beschriebene "Anreicherung" des in der zweiten Gasspeichereinheit gespeicherten Gases methanreiches Biogas, welches bei einer solchen Prozessführung, bei der schüttfähige Biomasse unter Beregnung von mit einem Perkolatfermenter entnommenem Perkolat methanisiert wird, aus dem
Perkolatfermenter abgezogen wird. Eben jenes aus dem Perkolatfermenter abgezogene methanreiche Biogas wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung somit in die zweite Gasspeichereinheit eingespeist, und zwar, wie dargelegt, als Vorlagegas bevor das methanarme Gasgemisch aus der Spülphase in die zweite Gasspeichereinheit eingespeist wird.
Allerdings ist, worauf hinzuweisen ist, nicht zwingend, dass aus einem Perkolatfermenter abgeführtes methanreiches Biogas als besagtes Vorlagegas in die zweite Gasspeichereinheit eingespeist wird. Vielmehr eignet sich hierfür grundsätzlich auch methanreiches Biogas, das in dem Fermenter in der Vergärungsphase gebildet wird. In diesem Sinne kann die Einspeisung von methanreichem Biogas in die zweite Gasspeichereinheit insbesondere auch aus dem Fermenter während der Vergärungsphase erfolgen. Ebenfalls kommt in Betracht, dass zur Anreiche- rung des in der zweiten Gasspeichereinheit gespeicherten Gases der ersten Gasspeichereinheit methanreiches Biogas entnommen und in die zweite Gasspeichereinheit eingespeist wird. Insoweit ist das erfindungsgemäße Verfahren keinesfalls auf in einem Perkolatfermenter gebildetes (methanreiches) Biogas angewiesen, so dass es dementsprechend insbesondere auch in Anlagen ablaufen kann, die gar keinen Perkolatfermenter aufweisen oder bei denen das in einem Perkolatfermenter gebildete Biogas anderweitig genutzt wird.
Zur Klarstellung der Begrifflichkeit ist darauf hinzuweisen, dass unter "Spülen" vorliegend keinesfalls allein der Austausch des über dem Gärsubstrat bestehenden Gases durch Luft verstanden werden darf. Vielmehr beinhaltet das Spülen auch das aktive Beenden der restlichen Methanbildung, indem die (anaeroben)
methanbildenden Bakterien einer aeroben Atmosphäre ausgesetzt werden, wobei auch während des Spülvorgangs noch eine gewisse Menge an Methan neu gebildet wird. Insoweit ist das Spülen durchaus auch noch ein Teil der biologischen Prozesse. Einer der besonderen Aspekte der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dieser Prozessabschnitt, wie dargelegt, aufgrund der spezifischen Behandlung des den Fermenter während der Spülphase verlassenden Gasgemisches beschleunigt und die Dauer der Spülphase hierdurch verkürzt werden kann.
Allein zur Klarstellung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche %-Angaben als Vol.-% zu verstehen sind. Wei- terhin sei klargestellt, dass bei mehrere Fermenter aufweisenden Anlagen die einzelnen Fermenter typischerweise phasenversetzt betrieben werden; insoweit beziehen sich Angaben, die auf eine bestimmte Phase während des in einem Fermenter ablaufenden Zyklus' abstellen, auf den jeweils betreffenden Fermenter. Schließlich wird darauf hingewiesen, dass die Angabe, wonach der mindestens eine Fermenter einen Gasauslass aufweist, keinesfalls dahingehend verstanden werden darf, dass pro Fermenter nur ein Gasauslass vorgesehen ist, der wahlweise mit der ersten oder der zweiten Gasspeichereinheit verbindbar ist. Es ist im Gegenteil vielmehr so, dass das Gasleitungsnetz für jeden Fermenter durchaus auch zwei Gasleitungen umfassen kann, wobei durch eine der beiden Gasleitungen Biogas der ersten Gasspeichereinheit und durch die andere Gasleitung Gas der zweiten Gasspeichereinheit zugeleitet wird und jede der beiden Gasleitungen an einer eigenen Öffnung an den betreffenden Fermenter angeschlossen ist. Dies ist namentlich dann besonders zweckmäßig, wenn, wie dies typischerweise der Fall ist (s.o.), das während der
Spülphase entstehende Gasgemisch mit einem erheblich höheren Volumenstrom in die zweite Gasspeichereinheit eingespeist wird als methanreiches Biogas während der Vergärungsphase in die erste Gasspeichereinheit; denn die Leitungsquerschnitte können in diesem Falle an die in einem erheblichen Maße unterschiedlichen Durchsätze angepasst werden. Im Übrigen kann das Gasleitungsnetz auch eine die beiden Gasspeichereinheiten untereinander verbindende Verbindungsleitung umfassen, durch die hin- durch bei Bedarf methanreiches Biogas aus der ersten Gasspeichereinheit in die zweite Gasspeichereinheit geleitet wird, um das dort gespeicherte Gas anzureichern (s.o.) . Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass es sich bei allen vorstehend als absperrbare Ventile bezeichneten Ventilen zweckmäßigerweise um Proportional - ventile handelt, die zwischen der vollständig
geöffneten und der vollständig geschlossenen Stellung beliebige Zwischenstellungen einnehmen können, um den jeweiligen Durchfluss beliebig einzustellen.
Mit welchen expliziten Verfahrensschritten die Anlage in erfindungsgemäßer Weise betrieben wird, hängt von verschiedenen aktuellen und anlagenspezifischen Kenngrößen und insbesondere der individuellen Biomasse ab. So bestimmt Art der Einrichtung zur energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases, mit welchen Methangaskonzentrationen Biogas verwertet werden kann, wobei im Hinblick auf die vorstehend dargelegten Werte zu beachten ist, dass durch zukünftige technische Entwicklungen beispielsweise die Verbrennung von Biogas in einem Blockheizkraftwerk auch bei Methankonzentrationen von deutlich weniger als 48% denkbar ist. Weiterhin bestimmen typischerweise das Volumen des Fermenters, der Substratfüllstand und das Spülluftgebläse, welches Volumen an Gasgemisch mit welcher Methankonzentration beim Spülvorgang gebildet wird. Dies hat Auswirkungen auf die Auslegungsgröße bzw. den Ausnutzungsgrad der zweiten Gasspeichereinheit und die Dauer der (anschließenden) Mischgasnutzung, während derer die zweite Gasspeichereinheit geleert wird, wie auch darauf, wie viel methanreiches Gas in die zweite Gasspeichereinheit vorgelegt werden muss, damit die obere Explosionsgrenze des Gases stets überschritten ist.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbei- spiels näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine drei Fermenter umfassende Anlage zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases nach der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 zu den drei Fermentern der in Fig. 1 veranschaulichten Anlage die maßgeblichen Phasen des jeweiligen Zyklus1 sowie die Beschickung der beiden Gasspeichereinheiten und Gasentnahme aus diesen.
Die in Fig. 1 gezeigte Anlage zur Methanisierung von Biomasse und energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases umfasst drei übereinstimmend aufgebaute, gara- genförmige Fermenter 1. Jeder der Fermenter 1 weist eine luftdicht verschließbare Beschickungsöffnung 2, einen ersten Gasauslass 3, einen zweiten Gasauslass 4 sowie einen mit einem zugeordneten Spülluftgebläse 5 in Verbindung stehenden Spüllufteinlass 6 auf. Weiterhin ist die Anlage mit einem Perkolatsystem ausgestattet, welches einen Perkolatbehälter 7, der zugleich einen Perkolatfermenter 8 darstellt, sowie einen Perkolatkreislauf umfasst. Der Perkolatkreislauf weist dabei Perkolatleitungen 9, Pumpen 10 und 11 sowie je Fermenter 1 einen - jeweils über ein absperrbares Ventil 43 steuerbaren - Beregnungsstrang 12 und eine Auffangrinne 13 auf .
Weiterhin sind zwei Gasspeichereinheiten vorgesehen, nämlich eine erste Gasspeichereinheit 14 und eine zweite Gasspeichereinheit 15, von denen jede mindestens einen Gasspeicher üblicher Bauart umfasst.
Die Fermenter 1 sind mit den beiden Gasspeichereinheiten 14 und 15 über ein Gasleitungsnetz 16 verbunden. Dieses umfasst eine erste Gasleitung 17 und eine zweite Gasleitung 18, wobei die erste Gasleitung 17 (entsprechend verzweigt) die erste Gasspeichereinheit 14 jeweils über ein absperrbares Ventil 19 mit dem
jeweiligen ersten Gasauslass 3 eines jeden Fermenters 1 und die zweite Gasleitung 18 (ebenfalls entsprechend verzweigt) die zweite Gasspeichereinheit 15 jeweils über ein absperrbares Ventil 20 mit dem jeweiligen zweiten Gasauslass 4 eines jeden Fermenters 1 verbindet .
In der zweiten Gasleitung 18 ist ein steuerbares Wegeventil 21 vorgesehen, mittels dessen den bzw. die Fermenter 1 über den jeweiligen zweiten Gasauslass 4 verlassendes Gas wahlweise statt der zweiten Gasspeichereinheit 15 einem Fortgassystem 22 zugeführt werden kann. Das Fortgassystem 22 umfasst dabei einen Biofil- ter 23 und eine Gasfackel 24, die wahlweise - über ein weiteres steuerbares Wegeventil 25 - beaufschlagt werden können.
Die erste Gasspeichereinheit 14 und die zweite Gasspeichereinheit 15 sind mittels einer Verbindungsleitung 26, in der ein absperrbares Ventil 27 angeordnet ist, miteinander verbunden, wobei in der Verbindungsleitung 26 ggf. zusätzlich ein - nicht dargestelltes - Gebläse bzw. ein Verdichter vorgesehen sein kann, um Biogas aus der ersten Gasspeichereinheit 14 in die zweite Gasspeichereinheit 15 zu fördern. Weiterhin ist der
Perkolatfermenter 8 über eine (entsprechend verzweigte) Gasleitung 28 sowohl mit der ersten Gasspeichereinheit 14 als auch mit der zweiten Gasspeichereinheit 15 verbunden, wobei in jedem der beiden Stränge ein absperrbares Ventil 29 bzw. 30 angeordnet ist.
Die der energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases dienende Einrichtung 31 umfasst ein Blockheizkraftwerk 32, das mit einem Nutzgas-Leitungsnetz 33, welches einen Teil des Gasleitungsnetzes 16 bildet, sowohl mit der ersten Gasspeichereinheit 14 als auch mit der zweiten Gasspeichereinheit 15 verbunden ist . In dem
Nutzgas-Leitungsnetz 33 ist dabei ein Gasmischer 34 angeordnet, in den ein an die ersten Gasspeichereinheit 14 über ein absperrbares Ventil 35 angeschlossener erster Nutzgasstrang 36 und ein an die zweite Gasspeichereinheit 15 über ein absperrbares Ventil 37
angeschlossener zweiter Nutzgasstrang 38 münden. Aus dem Gasmischer 34 wird das Nutzgas dem Blockheizkraftwerk 32 über die Nutzgasleitung 39 zugeführt. Durch entsprechende Betätigung der Ventile 35 und 37 sind wahlweise nur die erste Gasspeichereinheit 14 oder zeitgleich sowohl die erste Gasspeichereinheit 14 als auch die zweite Gasspeichereinheit 15 mit der Einrichtung 31 zur energetischen Verwertung von Biogas strömungstechnisch verbindbar.
Sämtliche steuerbaren und absperrbaren Ventile sowie die Pumpen 10 und 11, die Spülgebläse 5 und das Blockheizkraftwerk 32 sind mittels der Anlagensteuerung 40 steuerbar. Die Anlagensteuerung 40 verwertet dabei auch aktuelle Betriebsdaten des Blockheizkraftwerks 32 sowie insbesondere die von Messfühlern 41 und 42 bereitgestellten Messdaten zum Methangehalt des in der ersten Gasspeichereinheit 14 bzw. der zweiten Gasspeichereinheit vorhandenen Gases, letzteres insbesondere im Hinblick auf die weiter oben dargelegte, die
Explosionsgefahr ausschließende Anreicherung des der zweiten Gasspeichereinheit 15 zugeführten Schwachgases mit methanreichem Biogas aus dem Fermenter 1 bzw. dem Perkolatfermenter 8. Namentlich im Hinblick auf Aspekte der Effizienz, der Minimierung von Emissionen und einer maximalen Anlagensicherheit, auch was den Explosions- schutz betrifft, in der Anlagensteuerung 40 verschiedene weitere, beispielsweise in den Gasleitungen 17, 18 und 28 ermittelte Messwerte zu Gasqualitäten und Volumenströmen berücksichtigt werden. Am Beispiel eines der drei Fermenter 1 der in Fig. 1 veranschaulichten Anlage werden in Fig. 2 - in einer was die zeitlichen Relationen betrifft nicht maßstäblichen Darstellung - beispielhaft die Abläufe während eines vollständigen Betriebszyklus' gezeigt. Der Betriebszyklus untergliedert sich dabei grob in vier Phasen, nämlich Beschicken des Fermenters mit Biomasse (Abschnitt I) , Vergärungsphase (Abschnitt II) , Spülphase (Abschnitt III) und Entleerungsphase (Abschnitt IV) . Die angezeigten Stellungen der verschiedenen Ventile zeigen einerseits die phasenweise wechselnde Beschickung der beiden Gasspeichereinheiten 14 und 15 aus dem betreffenden Fermenter 1 und dem Perkolatfermenter 8 sowie andererseits die ebenfalls phasenweise wechselnde Entnahme von Gas aus den beiden Gasspeichereinheiten 14 und 15 zum Zwecke der energetischen Verwertung in dem Blockheizkraftwerk 32 an.
Wie aus Fig. 2 abzulesen ist, werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel folgende Abläufe eingehalten - wobei durch die mittels Schraffierung
dargestellten Bereiche zum Öffnen und/oder Schließen einzelner Ventile typische Bandbreiten veranschaulicht sind, innerhalb derer die Anlagensteuerung auf sich ändernde Randbedingungen reagiert :
Während der Beschickung des Fermenters (Phase I) sind beide Gasauslässe 3 und 4 mittels der zugeordneten Ventile 19 und 20 geschlossen. In dieser Phase wird in dem Blockheizkraftwerk 32 ein Mischgas (Methangehalt ca. zwischen 48% und 60%) verbrannt, welches in dem Gasmi- scher 34 durch Mischung von der ersten Gasspeichereinheit 14 (über das geöffnete Ventil 35) entnommenem Gas und der zweiten Gasspeichereinheit 15 (über das geöffnete Ventil 37) entnommenem Gas gebildet wird. Der Perkolatfermenter 8 speist in dieser Phase (über das geöffnete Ventil 29) methanreiches Biogas in die erste Gasspeichereinheit 14 ein.
Während eines mehr oder weniger ausgedehnten ersten Abschnitts der Vergärungsphase (Phase II) kann in dem Fermenter 1 entstehendes sehr methanarmes, anfangs noch Restluft enthaltendes Gas (über die entsprechend angesteuerten Ventile 20 und 21) zunächst zu dem Biofilter 23 und anschließend (nach Umsteuern des Ventils 21) relativ methanarmes Biogas in die zweite Gasspeichereinheit 15 eingespeist werden. In diesem Zeitabschnitt (Anfahr-Vergärungsphase) wird in dem Blockheizkraftwerk 32 weiterhin Mischgas verbrannt. Der Perkolatfermenter speist in diesem Zeitabschnitt weiterhin methanreiches Biogas in die erste Gasspeichereinheit 14 ein.
Während eines zweiten Abschnitts der Vergärungsphase (Normalbetrieb) , zu deren Beginn die beiden Ventile 19 und 20 zeitgleich umgesteuert werden, wird in dem Fermenter 1 entstehendes methanreiches Biogas (über das geöffnete Ventil 19 bei geschlossenem Ventil 20) in die erste Gasspeichereinheit 14 eingespeist. In dieser Phase wird in dem Blockheizkraftwerk 32 weiterhin Mischgas verbrannt, und zwar so lange, bis die zweite Gasspeichereinheit 15, leer ist, bevor anschließend ausschließlich der ersten Gasspeichereinheit 14
entnommenes Biogas verbrannt wird. Der Perkolatfermenter speist in diesem Zeitabschnitt weiterhin methanreiches Biogas in die erste Gasspeichereinheit 14 ein.
Gegen Ende der Vergärungsphase werden die Ventile 29 und 30 (zeitgleich) umgesteuert, so dass methanreiches Biogas aus dem Perkolatfermenter 8 in die zweite Gas- speichereinheit 15 eingespeist wird, wobei alternativ oder additiv auch methanreiches Biogas aus der ersten Gasspeichereinheit 14 in die zweite Gasspeichereinheit 15 eingespeist werden kann, und zwar bei geöffnetem Ventil 27 durch die Verbindungsleitung 26 hindurch. Während eines ersten Abschnitts der Spülphase (Phase III) kann den Fermenter 1 verlassendes, typischerweise noch immer relativ methanreiches Gasgemisch, je nach den konkreten Parametern zu anfallender Gasmenge und -qualität, in die erste Gasspeichereinheit 14 oder abe die zweite Gasspeichereinheit 15 eingespeist werden. Während des sich anschließenden zweiten Abschnitts der Spülphase, zu dessen Beginn die beiden Ventile 19 und 20 zeitgleich umgesteuert werden, wird den Fermenter 1 verlassendes relativ methanarmes Gasgemisch in die zweite Gasspeichereinheit 15 eingespeist. Während dieser beiden Zeitabschnitte wird in dem Blockheizkraftwerk weiterhin der ersten Gasspeichereinheit 14 entnommenes Biogas verbrannt. Die Dauer der fortgesetz ten Einspeisung von methanreichem Vorlagegas in die zweite Gasspeichereinheit 15 aus dem Perkolatfermenter 8 (über das geöffnete Ventil 30) und/oder der ersten Gasspeichereinheit 14 (über das geöffnete Ventil 27) z Beginn der Spülphase richtet sich nach dem abgeschätz- ten Bedarf an methanreichem Biogas, um den Methangehalt des Gases in der zweiten Gasspeichereinheit 15 stets oberhalb der oberen Explosionsgrenze zu erhalten. Anschließend werden die Ventile 29 und 30 wieder umgesteuert, so dass von da ab methanreiches Biogas aus dem Perkolatfermenter 8 wieder in die erste Gasspeichereinheit 14 eingespeist wird. Auch während dieser Phase wird in dem Blockheizkraftwerk weiterhin der ersten Gasspeichereinheit 14 entnommenes Biogas verbrannt.
Während eines dritten Abschnitts der Spülphase wird das den Fermenter 1 verlassende sehr methanarme Gasgemisch (mit einem Methangehalt unterhalb der unteren Explosionsgrenze) über den Biofilter 23 gereinigt an die Umgebung abgegeben, zu welchem Zweck das Ventil 21
umgesteuert wird. In dieser - vergleichsweise kurzen - Phase kann je nach den vorliegenden Randbedingungen weiterhin allein Gas aus der ersten Gasspeichereinheit 14 oder aber, nach Umsteuern des Ventils 37, bereits Mischgas in dem Blockheizkraftwerk 32 verbrannt werden. Während der Entleerungsphase sind beide Gasauslässe 3 und 4 mittels der zugeordneten Ventile 19 und 20 geschlossen. In dieser Phase wird in dem Blockheizkraftwerk 32 ein Mischgas verbrannt, welches in dem
Gasmischer 34 durch Mischung von der ersten Gasspeichereinheit 14 entnommenem Gas und der zweiten Gasspeichereinheit 15 entnommenem Gas gebildet wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Methanisierung von Biomasse und
energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases in einer mindestens einen im Batchverfahren arbeitenden Fermenter (1) aufweisenden
Einrichtung, umfassend die sich in dem mindestens einen Fermenter zyklisch wiederholende Abfolge der folgenden Schritte:
a) Befüllen des Fermenters (1) mit Biomasse
durch eine zur Umgebung geöffnete
Beschickungsöffnung (2) ,
b) luftdichtes Verschließen der
Beschickungsöffnung (2) ,
c) Einspeisen des in einer Vergärungsphase (II) entstehenden methanreichen Biogases zumindest zeitweise in eine erste Gasspeichereinheit (14) ,
d) Spülen des Fermenters (1) mit Spülluft und zumindest zeitweises Einspeisen des während der Spülphase (III) den Fermenter
verlassenden methanarmen Gasgemisches in eine zweite Gasspeichereinheit (15) ,
e) Öffnen der Beschickungsöffnung (2) und f ) Entfernen des Gärrests aus dem Fermenter (1) , wobei der zweiten Gasspeichereinheit (15) Gas entnommen und mit der ersten Gasspeichereinheit (14) entnommenem Biogas gemischt und das so erzeugte Mischgas anschließend energetisch
verwertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines ersten Zeitabschnitts der
Spülphase (III) das den Fertnenter (1) verlassende Gasgemisch in die erste Gasspeichereinheit (14) eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass während eines letzten
Zeitabschnitts der Spülphase (III) das den
Fermenter (1) verlassende Gasgemisch über ein Biofilter (23) an die Umgebung abgegeben oder mittels einer Fackel (24) verbrannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung und energetische Verwertung des Mischgases
intermittierend erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung und energetische Verwertung des Mischgases während des durch die Entleerungsphase (IV) und die Beschickungsphase (I) bestimmten Biomassewechsels (Schritte f und a) und des ersten Zeitabschnitts (Anfahr-Vergärungsphase) der anschließenden Vergärungsphase (II) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gasspeichereinheit (15) während der Anfahr-Vergärungsphase im Wesentlichen leer gefahren wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschließen der Beschickungsöffnung (2) in einem ersten
Zeitabschnitt (Anfahr-Vergärungsphase) der
Vergärungsphase (II) entstehendes methanarmes Biogas in die zweite Gasspeichereinheit (15) eingespeist wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen der
Einspeisung des methanarmen Gasgemisches in die zweite Gasspeichereinheit (15) kürzer sind als die Phasen der Entnahme von Gas aus der zweiten
Gasspeichereinheit (15) für dessen energetische Verwertung .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Methankonzentration in der zweiten
Gasspeichereinheit (15) durch Einspeisung von methanreichem Biogas stets oberhalb des Werts der oberen Explosionsgrenze in Luft gehalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass schüttfähige Biomasse unter Beregnung von mit einem Perkolatfermenter (8) entnommenem Perkolat methanisiert wird, wobei das in die zweite
Gasspeichereinheit (15) eingespeiste methanreiche Biogas aus dem Perkolatfermenter abgezogen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Fermenter (1) verlassendes methanreiches Biogas zeitweise in die zweite Gasspeichereinheit (15) eingespeist wird, wobei die Einspeisung von methanreichem Biogas in die zweite
GasSpeichereinheit (15) vor der Spülphase (III) und/oder während der Vergärungsphase (II) erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in die zweite Gasspeichereinheit (15) eingespeiste methanreiche Biogas aus der ersten Gasspeichereinheit (14) abgezogen und über eine die beiden Gasspeichereinheiten miteinander verbindende Verbindungsleitung (26) der zweiten Gasspeichereinheit zugeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der
Spülphase (III) 0,2 bis 1,0%, bevorzugt 0,3 bis 0,8% der Zyklusdauer beträgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselrate beim Spülen des Fermenters (1) mit Spülluft zwischen 1/h und 10/h, bevorzugt zwischen 2/h und 6/h, bezogen auf das Gasvolumen im Fermenterraum, beträgt .
Anlage zur Methanisierung von Biomasse und
energetischen Verwertung des gewonnenen Biogases gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, umfassend mindestens einen eine luftdicht verschließbare Beschickungsöffnung (2) , mindestens einen
Gasauslass (3, 4) sowie einen Spüllufteinlass (6) aufweisenden Fermenter, mindestens ein
Spülluftgebläse (5) , eine erste Gasspeichereinheit
(14), eine zweite Gasspeichereinheit (15), ein den mindestens einen Fermenter mit der ersten und der zweiten Gasspeichereinheit verbindendes, eine Mehrzahl von Gassteuerventilen (19, 20, 21, 35, 37) aufweisendes Gasleitungsnetz (16), eine
Einrichtung (31) zur energetischen Verwertung von Biogas und eine die Gassteuerventile verstellende Anlagensteuerung (40) , wobei die Gassteuerventile
(19, 20, 21, 35, 37) mittels der Anlagensteuerung
(40) dergestalt verstellbar sind, dass mit dem mindestens einen Gasauslass (3, 4) wahlweise die erste Gasspeichereinheit (14) oder die zweite Gasspeichereinheit (15) und dass wahlweise nur die erste Gasspeichereinheit (14) oder zeitgleich sowohl die erste als auch die zweite
Gasspeichereinheit (14, 15) mit der Einrichtung
(31) zur energetischen Verwertung von Biogas strömungstechnisch verbindbar sind.
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