EP4127196A1 - Biologische methanerzeugung - Google Patents

Biologische methanerzeugung

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Publication number
EP4127196A1
EP4127196A1 EP21717801.1A EP21717801A EP4127196A1 EP 4127196 A1 EP4127196 A1 EP 4127196A1 EP 21717801 A EP21717801 A EP 21717801A EP 4127196 A1 EP4127196 A1 EP 4127196A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
liquid
tubular reactor
methane
tube
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.)
Pending
Application number
EP21717801.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus DAHMEN
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.)
Planet Biogas Group GmbH
Original Assignee
Planet Biogas Group 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 Planet Biogas Group GmbH filed Critical Planet Biogas Group GmbH
Publication of EP4127196A1 publication Critical patent/EP4127196A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/06—Tubular
    • 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
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • 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 invention relates to a method for generating methane gas.
  • Methane gas can be used as an energy carrier to operate internal combustion engines, for example, and thus to drive electrical generators, or to serve as fuel directly in heating or power plants.
  • the problem also increases that with insufficient light irradiation and insufficient air flow, supply gaps in the energy supply occur.
  • the so-called dark doldrums lead to a correspondingly large loss of natural energy.
  • fluctuating energy sources can cause fluctuations in the network frequency of the electrical current or voltage network. Due to the network network spanning several states, this can be associated with far-reaching undesirable effects on clocks, system controls and the like.
  • an energy reserve can be made available to compensate or bridge the aforementioned supply gaps.
  • excess energy can be used for methanation that is currently not needed or consumed by consumers, so that, for example, the disposal of such surpluses at so-called negative electricity prices can be reduced or even avoided entirely.
  • the amounts of carbon dioxide that arise can be made usable by converting them to methane, in that heating systems, internal combustion engines and similar fuel gas consumers can be operated with methane gas.
  • the outlay on equipment affects the economic viability of the process, and the setting of the required pressure and temperature levels affects the efficiency of the process, since a comparatively high expenditure of energy is required for the production of the energy carrier methane gas.
  • the use of highly pure substances is necessary, so that either certain sources are out of the question for the provision of the substances to be used, or an elaborate purification or concentration of the substances initially present is necessary before they are used in processes for technical methanation can.
  • Biological systems are used for catalytic conversion within liquids.
  • conventional stirred tank reactors (CSTR) are used for this purpose.
  • trickle bed processes or membrane processes are used.
  • the main problems with biological methanation are due to the special properties of the gases CO2 and H2 used.
  • the solubility, especially of H2, in liquids is low.
  • there is the rapid upward speed of the introduced gas bubbles within the liquid which greatly shortens the contact time of the gas phase with the microorganisms (catalysts) present in the liquid. Measures to counteract this consist in increasing the pressure and / or the stirring speed. Due to the Such measures, however, reduce the overall efficiency of the respective process.
  • all gases, solutions, etc. that are to be supplied must first be raised to the appropriate pressure level.
  • the substrate is the nutrient for the microorganisms.
  • the sub is strat, z. B. plant fibers or animal excrement, left for a limited residence time inside a reactor.
  • the liquid is discharged from the reactor together with the substrate residues.
  • the liquid including the solids contained therein is overall flowable and can, for. B. promoted by pumps or homogenized by means of an agitator.
  • a biogas plant is known from the reactor tank of which a subset of the liquid contained in the reactor tank, including the solid substrate and the microorganisms contained therein, is discharged so that the reactor tank absorbs new, fresh material can.
  • the portion of the liquid to be discharged is branched off from the liquid in the reactor tank in the upper area of the reactor tank and guided downwards at an angle through a tubular reactor and finally enters a gas separation tank, where the gas is separated from the liquid and the liquid is removed from the system is deducted.
  • the invention is based on the object of specifying a method for biological methanation that is as low as possible in accordance with technical complexity and with a high degree of efficiency is feasible.
  • the invention is also based on the object of specifying a system suitable for this purpose.
  • the invention proposes to carry out biological methanation in a tubular reactor.
  • a tubular reactor enables intensive contact between the gas introduced and the microorganisms.
  • the outlay on equipment for an agitator is not necessary, so that, firstly, the method is simplified and can be operated with a better degree of efficiency, since the energy required to operate the agitator is saved.
  • the economic efficiency is also improved by the fact that the expenditure for the acquisition, operation and maintenance of the agitator is saved.
  • the tubular reactor has a tubular section oriented horizontally.
  • An orientation that is either horizontal or has an angle of a maximum of 45 ° to the horizontal is referred to as lying - in contrast to a "standing" orientation, which affects angles of more than 45 °.
  • angles of inclination have proven to be suitable that are significantly flatter than the 45 ° mentioned and do not exceed, for example, a 10% gradient.
  • the flat course of the tube section prevents a gas bubble, for example from introduced hydrogen or carbon dioxide, from rising up through the liquid in too short a time, so that the time would not be sufficient for the desired biological conversion of the gases.
  • a gas bubble for example from introduced hydrogen or carbon dioxide
  • Much more the flat shape of the tube section ensures a long dwell time during which the gases can come into contact with the microorganisms in the liquid.
  • the gas emerging from the tubular reactor contains methane. If the methane content of this exit gas is below a target value, the exit gas can be reintroduced into the tubular reactor and thus circulated until the methane content in the exit gas has reached the desired concentration. With a corresponding effective length of the tubular reactor, however, it can particularly advantageously be achieved that such a cycle is not required, but rather that the outlet gas has such a high methane concentration that it can be fed directly into a public gas network, for example .
  • the liquid used according to the invention is an aqueous liquid, that is to say, unlike in the case of biogas generation, a liquid that is essentially free of solids.
  • the liquid contains on the one hand the microorganisms and on the other hand the gaseous substrate as a nutrient for the microorganisms.
  • a gas in the liquid is not only created by the conversion of solid substrate, which is then used for biological methane generation, but because this gas according to the invention is provided externally and in the form of hydrogen and carbon dioxide in The liquid is introduced and dissolved or is also present in the liquid in the form of bubbles, no solid components need to be carried along in the liquid, unless the microorganisms are viewed as solids. Therefore, according to the invention, a low-solids liquid (if the microorganisms are viewed as solids) or even a solid-free liquid can be used, which is referred to as an aqueous liquid.
  • aqueous liquid used according to the invention less energy to move the liquid and, for example, to convey it through the tubular reactor by means of a pump.
  • the liquid is in the method according to the invention in
  • the method according to the invention enables particularly continuous operation of the biogas plant with high effectiveness, since the Quantity of the microorganisms required for methanation does not have to be discharged from the system and must be regenerated by the microorganisms remaining in the system.
  • the amount of methane gas generated means a comparatively significantly lower volume, so that the conditions in the system can be kept constant to a greater extent, the microorganisms to a lesser extent Need to be regenerated and with a can operate biological methanation with greater efficiency.
  • the tubular reactor can advantageously have a plurality of flatly aligned tube sections which are in flow connection with one another, so that overall a particularly long length of the tubular reactor and a correspondingly long dwell time of the introduced gas can be ensured.
  • a partial length of the tubular reactor is referred to as a tube section, which can be designed as a separate tube and can be connected to other sections of Röhrenab in order to form the tube reactor as a whole.
  • a section of an uninterrupted, longer tube of the tubular reactor can also be referred to as a tube section.
  • the division of the tubular reactor into several tube sections makes it possible to realize the tubular reactor in almost any geometry and to adapt it accordingly to different installation conditions.
  • Straight-line Röhrenabschnit te can be connected to each other by intermediate pieces - for example by arches - and form a zigzag or meandering tubular reactor.
  • Curved tube sections can directly adjoin each other and form, for example, a tube reactor that acts like a large hollow cylinder and is designed as a helix, in which case a passage of this helix can be referred to as a Röhrenab section.
  • the individual tube sections can each be present as separate components. However, commercially available components that already contain a greater number of tube sections can be used particularly economically.
  • so-called double-walled plates can be used which have a large number of integrated channels each with a rectangular cross section, each channel representing a tube section.
  • a serpentine tubular reactor can be created with little effort, with compact dimensions, a large tube length and a correspondingly long contact time of the gases introduced with the microorganisms light.
  • a tube section of the tube reactor can advantageously have a circular internal cross section. On the one hand, this prevents the formation of flow-calmed dead zones, which could impair the efficiency of the tubular reactor, since the microorganisms in them may not come into intensive contact with gas bubbles.
  • the circular inner cross-section also makes it easier to clean the inner surface of the tubular reactor from adhesions, deposits and the like.
  • a tubular section of the tubular reactor can advantageously not run exactly horizontally, but rather be aligned upwards with a slight angle of increase. This supports the fact that the gas bubbles collect and automatically rise in the tubular reactor so that they can be collected in a gas collector at the upper end of the tubular reactor.
  • the methane gas present there can advantageously be pumped into a Methangasspei cher at regular intervals or continuously, so that the gas collector on the Röhrenre actuator can be of small volume, which expands the selection of possible sites.
  • the methane storage tank on the other hand, can be installed as a classic boiler or silo structure at a distance from the tubular reactor and connected to the tubular reactor by a gas line.
  • the tubular reactor can have a considerably flatter or narrower design so that it can be set up like a plate and can be easily integrated into existing surroundings without, for example, impairing routes or walkways or preventing the installation of systems, structural fixtures or the like.
  • the straight or curved course of one or more tube sections can be freely selected, so that the tube reactor can be operated at many installation locations that are out of the question for the installation of classic, namely physically or chemically acting methanation plants.
  • This facilitates decentralized methanation, so that methane storage can take place in a decentralized manner.
  • decentralized methane storage can even out fluctuating energy supply without requiring a complex infrastructure of pipelines or power lines.
  • the tubular reactor encloses a large volume as a whole, in that the tube sections are laid, for example, in a circular or rectangular manner, the tubular reactor represents a small wall thickness of this enclosed volume, so that the space within this volume can be used for other purposes.
  • the tubular reactor can be built on the inside or outside of a building in front of a wall of the building, or it can be built outside around the building or inside a room of the building run around the walls of this room.
  • the tubular reactor can be built around such systems on the outside, for example around a combined heat and power unit (CHP) around, for example - sen radiated waste heat, or the tubular reactor can be arranged inside the plant, for example inside a tank or reaction vessel, e.g. inside a fermenter, so that its usable volume is only slightly reduced, but constant temperature conditions can be provided for the microorganisms .
  • CHP combined heat and power unit
  • the microorganisms make it possible that the process does not require any pressure and temperature conditions that deviate greatly from the conditions of the ambient atmosphere and require a correspondingly large amount of equipment that would impair the efficiency of the process. Rather, the method can be carried out in a very wide pressure range, e.g. B. at pressures from 1 to 16 bar, as well as in a very wide temperature range, e.g. at temperatures that can range from minus degrees to 60 or 70 ° C.
  • the microorganisms In contrast to physical or chemical processes, which rely on the use of raw materials that are as pure as possible, such as high-purity hydrogen and carbon dioxide gases, the microorganisms also allow contaminated gases to be used without any problems.
  • the method for biological methanization can also be operated intermittently without problems, for example by introducing smaller amounts of gas into the liquid in which the microorganisms are located over hours, days or even weeks. Due to the associated undersupply, the microorganisms simply stop their metabolism without dying. Accordingly, after a phase of undersupply, a larger amount of gas can be introduced into the liquid again without any problems and immediately converted to methane by the microorganisms, so that the proposed method allows to be “switched on and off”, so to speak. The method can thus be adapted to fluctuating energy sources without any problems.
  • Archaea to which the advantages and properties explained above apply, can particularly advantageously be used as microorganisms.
  • the archaea are not only viable in the area of the above pressure and temperature data, but also beyond that and, as described, insensitive to an undersupply. They are also not significantly impaired by the introduction of contaminated gases into the liquid in which the archaea are located, so that the contaminants essentially impair the methanization only to the extent that they reduce the amount of the desired, reduce added substances by adding them.
  • the proposed method differs particularly advantageously from a physical or chemical method in which the impurities contained in the gases can, for example, accumulate on cata- lysts and impair their effectiveness.
  • the archaea Due to their physical and chemical robustness, the archaea can easily be used in systems in which the liquid in which the archaea are located is exposed to changing temperatures or pressures. For example, it has been shown in initial tests that the liquid, including the microorganisms contained therein, easily by a pumping station such. B. a circulation pump can be performed. Compared to an agitator, a circulating pump that causes a continuous flow through the tubular reactor requires a significantly lower amount of energy and accordingly affects the efficiency of the process as little as possible
  • the name of the archaea describes a separate domain in the realm of living beings with the phyla of the Euryarchaeota and different classes within the associated methane generators. It can be assumed that not only a single type of archaea will be highly pure in the liquid within the framework of the proposed method. Rather, it can be assumed that in view of the substances that are added to the liquid and thus the microorganisms, the desired archaea strain increases due to the living conditions that are positive for this strain and thus automatically an optimal effectiveness when performing the proposed method ensures.
  • the tubular reactor which is provided for carrying out the proposed method, can be manufactured particularly economically, since standard materials can be used, for example commercial pipelines, connec tion elements, fitting elements and the like. Since light irradiation is not a prerequisite for carrying out the proposed method, inexpensive elements can be used that do not have to be transparent or translucent. The possibility of operating the tubular reactor without the use of high pressures or high temperatures results in significantly lower requirements for the safety standards to be complied with, so that the construction and operation of a system with which the proposed method can be carried out , economically positively influenced.
  • the liquid can flow through the tubular reactor in any direction.
  • the liquid in an inclined rising course of the tube sections from bottom to top through the Röhrenab to pass sections, for example by a corresponding arrangement of a circulating pump.
  • it can advantageously be provided to guide the liquid from top to bottom through the tube sections, so that the liquid moves in against the tendency of the gas bubbles to rise to the top of the liquid.
  • a particularly long dwell time of the gas bubbles within the liquid can be achieved.
  • complete a conversion of the supplied gases as possible by the microorganisms can be supported in this way, so that the method can be operated with a very high degree of efficiency.
  • a tubular section oriented horizontally can, for example, run horizontally.
  • the transport of the gas bubbles to an outlet or collection point, which is provided for the extraction of the gas, takes place in this case in that the gas bubbles are carried along by the liquid which is circulated by means of the pump.
  • a horizontally aligned Röhrenab section can be aligned rising at a slight angle of inclination, so that the gas bubbles automatically rise to the aforementioned outlet or collection point due to the buoyancy forces.
  • the angle of inclination can be a maximum of 10%, for example, and is selected in such a way that an optimal compromise is found between two different properties: on the one hand, the longest possible holding time of the gas in the tubular reactor should be achieved in order to achieve the most complete biological conversion of the introduced CO2 enable.
  • the gas should reliably flow through the tubular reactor so that it reaches the outlet or collecting point, and it should be avoided that smaller gas bubbles linger too long in a tube section and accumulate too undesirably large gas bubbles. Since the biological conversion depends on the interface between the gas and the liquid and many smaller gas bubbles provide a larger surface than if the same gas volume is distributed over only a few larger gas bubbles, a too small The flow velocity of the gas can be counterproductive despite the associated longer residence time in the tubular reactor.
  • the process can advantageously be carried out at normal pressure, so that on the one hand the equipment required to carry out the process can be kept low and, on the other hand, the efficiency of the process is not impaired by the need to generate and maintain special pressures.
  • Normal pressure is the pressure that prevails inside the tubular reactor without any special measures being used to influence the pressure.
  • the atmospheric pressure is regarded as normal pressure, which can be referred to as ambient pressure and prevails where the process is operated, for example where the tubular reactor is set up.
  • normal pressure is considered to be the pressure that prevails inside the tubular reactor without special devices for influencing the pressure being used.
  • different pressures can prevail within the tubular reactor, especially if the tubular reactor extends over a comparatively large height of e.g. 5 or 10 m, these different pressures being regarded as normal pressure.
  • normal pressure in the context of the present invention does not represent a specific pressure reading, but depends on the installation site and the structural design of the system and results when the system is filled with liquid.
  • a pump that is intended to circulate the liquid within the system is to be regarded as a feed pump and not as a pump for increasing pressure, and its operation does not lead to a significant increase in the pressure prevailing in the system. In particular there is also no pressure build-up in the system due to the formation of methane gas.
  • the process can be carried out not only at normal pressure, but also advantageously at normal temperature.
  • the normal temperature is the temperature that prevails in the tubular reactor without special measures for influencing the temperature being used, i.e. not using specially provided heating or cooling devices to influence the temperature of the liquid in the tubular reactor.
  • the ambient temperature outside the tubular reactor is referred to as normal temperature, for example. This can, for example, be the air temperature where the tubular reactor is installed, or it can be the temperature inside a larger system tank in which the tubular reactor is installed. If the unit is set up outdoors, the normal temperature can fluctuate accordingly due to the weather, while it is set up outdoors of the tubular reactor within a building or, for example, in the fermenter of a biogas plant is subject to lower fluctuations.
  • the methane gas obtained biologically according to the present proposal can on the one hand be fed into a public gas network, but alternatively it can also - partially or completely - be used to operate a CHP.
  • the CO 2 present in the exhaust gas from the CHP unit can be used for methanation and for this purpose it can be fed into the tubular reactor.
  • electrical energy can be generated by means of the CHP which is used for electrolytic hydrogen production, so that the hydrogen obtained can also be introduced into the tubular reactor and used for methanation.
  • the exhaust gas from a CHP unit can for example be introduced directly into the liquid in order to introduce carbon dioxide into the liquid.
  • This option further supports particularly efficient operation of the system, since it is not necessary, for example, to first filter CO 2 out of the exhaust gas in order to supply it to the microorganisms in as pure a form as possible.
  • the proposed method can, for example, be used in connection with the operation of a biogas plant.
  • the fuel gas generated in the biogas plant can be used to operate a CHP unit.
  • the biogas generated in a biogas plant is not converted into flow by means of a CHP unit, but processed by means of a biogas processing plant and then the methane obtained from it is fed into a gas network, that can happen
  • the CO 2 originating from the off-gas of the processing plant can be introduced into the tubular reactor.
  • the proposed system can advantageously be designed in favor of compact dimensions from not in the form of a single, very long tube that forms the tubular reactor, but rather this can be formed from several fluidically mitei nander connected tube sections.
  • these several tube sections can advantageously not be arranged side by side, which would mean a considerable amount of space required for setting up the tube reactor, but rather the tube sections can be arranged one above the other, which considerably expands the selection of suitable locations.
  • a solid material inside the tube section through which the liquid and / or the gas can flow can.
  • An open-cell foam, similar to a sponge, or a textile structure such as, for example, in the form of a fleece, a net, a knitted fabric or a knitted fabric, or a sintered material can be used, for example, as such a solid material that can flow through.
  • this flow-through solid material is arranged in the liquid, it hinders the rise of the gas bubbles within the liquid, so that the longest possible period of time for the catalytic effect of the microorganisms in the conversion of the gases to methane gas can be provided.
  • the gas collects in the upper circumferential section of the tube section. It is therefore advantageously provided that the solid material is arranged at least partially in this upper circumferential section, that is to say in the gas space of the tube. In this way, on the one hand, the flow of the liquid on its way through the tubular reactor is hindered as little as possible, so that the energy required to circulate the liquid can advantageously be kept low.
  • the methane gas yield is so low that the gas emerging from the tubular reactor has to be reintroduced into the tubular reactor in order to achieve an enrichment and concentration of the methane to a desired level, it can be energetically advantageous instead of one such - and possibly repeated - circulation to increase the methane gas yield through more intensive contact of the microorganisms with the gas, even while accepting a higher flow resistance for the liquid.
  • the solid material is arranged in the entire gas space of the tube section, and in particular before geous it also extends into the liquid-filled area in order to support a problem-free colonization with the microorganisms.
  • the gas space of the tube section there is an atmosphere saturated with liquid vapor, so that it can be assumed that the microorganisms are not only present in the liquid itself, at least after a certain operating time of the system, but are also located in a biofilm on the solid material .
  • the solid material in the gas space of the tube section improves the efficiency of the process in two ways: first, the gas flow in the gas space of the tube section is hindered in a purely mechanical manner, so that the gas ger is held in the tubular reactor. Second, in addition to the biological conversion that takes place in the liquid space of the tube section, the contact of the gas with the biofilm on the solid material enables further biological conversion of those gas components that have already emerged from the liquid.
  • Another measure to support the most intensive possible contact between the individual gas bubbles and the microorganisms contained in the liquid can be used either exclusively or together with other measures - such as the solid material mentioned above.
  • This measure consists in arranging guide elements inside a Röhrenab section, which circulates the liquid flowing through the Röh renabites. For example, individual pins, comparatively small-area paddles or elongated strips, which extend in the longitudinal direction of a tube section and possibly over its entire length, can be provided in the interior of the tube section.
  • the guide elements can either be coordinated with one another in such a way that they cause, for example, a rotation of the flow around the longitudinal axis of the tube section.
  • the strips mentioned can run helically, similar to the trains in a gun barrel.
  • the guide elements can also be deliberately arranged in such a way that they cause multiple, undirected, turbulent eddying of the flow in order to achieve a particularly intensive mixing of all components within the liquid, avoid flow-calmed zones and possibly also larger gas bubbles into several to subdivide smaller gas bubbles.
  • the above-mentioned strips can, for example, each be mounted separately on the inside of a tube section.
  • a particularly simple assembly of the guide elements can, however can be achieved in that the strips are connected to one another, for example by rings which run transversely to the longitudinal direction of the tube section. In this way, the strips, together with the rings, can form an insert that can initially be manufactured separately and then pushed into the tube section and fixed there.
  • the assembly is also simplified by the fact that fewer fastening elements or less fastening material are required to fasten such an insert than to fasten the several strips separately.
  • the guide elements can be designed as a helix, e.g. like a screw flight of a conveyor screw.
  • a helix e.g. like a screw flight of a conveyor screw.
  • the handling of several separate strips distributed over the circumference of the tube section is not required, but a single, coherent component is created which gives the liquid flowing through the tube section the desired twist ver.
  • either such a coil can be as long as the tube section, or the coil can be composed of several pieces so that the correspondingly short individual coil pieces are easy to manufacture, transport and handle, and thus support a problem-free, damage-free assembly.
  • a guide element which is configured in the form of the helix mentioned, can, viewed in the longitudinal direction of the helix or the Röhrenab section, be open in the middle and form an “eye” there, which is surrounded by the helix surface by the width of the Helix area is less than half the diameter of the helix.
  • Such an eye also results in the above-mentioned strips if their width is less than half the inner diameter of the tube section.
  • the eye allows a straight flow through the conducting elements for a certain proportion of the liquid, which is a NEN means low flow resistance, while a different proportion of the liquid is guided helically in the space between two adjacent sections of the guide elements.
  • the ratio of the eye diameter to the diameter of the helix or the inner diameter of the tube section can be influenced and accordingly the ratio of flow resistance on the one hand and mixing of the liquid on the other hand can be optimized.
  • Another measure to mix the components of the liquid flowing through the tube sections can also be provided either alone or in combination with one or more of the other measures mentioned.
  • This other measure can consist in using tube sections and / or the intermediate elements, which connect adjacent tube sections to one another, with different cross-sections. This can relate to a change in the size of the free, flow-through cross-sectional area, so that narrower and wider sections result in the course of the tubular reactor. But even with the same size inner cross-sectional area, a change in cross-section can be brought about by using different cross-sectional geometries, for example a transition from a rectangular, square, oval or circular cross-sectional shape to a different cross-sectional geometry. A change in cross-section in both respects, that is to say with regard to the size of the cross-sectional area and also with regard to the cross-sectional geometry, can also be used.
  • the pump can run continuously over a longer period of time and the liquid through the tubular reactor at a comparatively low speed support financially.
  • the pump is operated in a pulsatile manner, that is to say at intervals and in bursts. In this way, high flow speeds of the liquid can be achieved, and if the switch-on time of the pump is selected to be short compared to the pause times, a long dwell time of the gas in the tubular reactor can still be achieved.
  • the high flow speeds during each brief pump operation enable strong turbulence and thus an intensive contact between the gas and the liquid in favor of the most effective possible biological conversion of the gas. If necessary, larger gas bubbles can also be divided into several smaller ones by such turbulence.
  • an automatic control of the pump can be provided.
  • the gas composition can be automatically analyzed and, for example, either the methane content or the CC content can be determined so that at least one A statement can be made about how completely the CC gas introduced into the tubular reactor has been converted into methane.
  • the pump can be activated as a function of this recorded degree of conversion, so that if the degree of conversion is lower, the pump either runs more slowly or with longer pause intervals and accordingly the gas is kept in the tubular reactor for a longer period of time, which leads to a more complete conversion of the gas and a correspondingly higher degree of implementation.
  • 1 shows a meandering or serpentinenförmi ger tubular reactor, which has several superimposed individual straight tube sections 2, which are fluidically connected to each other by means of pipe bends 3 ver.
  • a liquid containing microorganisms is provided in a storage container 4.
  • the liquid contains water, vitamins, trace elements, minerals and nutrients, and as microorganisms fin the archaea application.
  • the liquid is conveyed from the Vorla container 4 by means of a circulating pump 5 into the tubular reactor 1 and through this.
  • a gas mixture is introduced into the liquid, which is symbolized by a gas bottle 8 presented.
  • the gas mixture contains both hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2).
  • a feed point where the gas mixture is fed into the liquid is marked with 6 in the drawing.
  • the individual tube sections 2 run upwards at a slight angle of incline, so that the gas automatically flows through the tube reactor 1 from bottom to top.
  • the liquid is conveyed through the tubular reactor 1 from the bottom to the top by means of the circulating pump 5.
  • the microorganisms in the liquid convert the hydrogen and carbon dioxide into methane, so that methane with a purity of more than 97% is present at the upper outlet end of the tubular reactor 1.
  • the mixture of gas and liquid passes from the upper end of the tubular reactor 1 to a gas collector 7.
  • the gas is separated from the liquid without further technical measures. Since the gas collector 7 has a comparatively small storage volume for the generated Has thane gas and only serves as an intermediate storage device, the methane gas is withdrawn from the top of the gas collector 7 and can be fed to a gas storage device, not shown in the drawing, which has a larger capacity.
  • the liquid remains in the lower area of the gas collector 7 and arrives from there in the storage container 4, so that it can be circulated again from there by means of the circulating pump 5.
  • Gas which is still separated from the liquid within the storage container 4, is passed into the gas collector 7, specifically directly into its upper region, that is to say into the gas chamber of the gas collector 7.
  • the methane gas generated can be fed as fuel gas to a block-type thermal power station (BFIKW) from the above-mentioned intermediate storage facility (not shown in the drawing) in order to operate an internal combustion engine of the BFIKW.
  • BFIKW block-type thermal power station
  • the internal combustion engine of the BFIKW generates, among other things, electrical cal energy, which via an electrical connection 10 to an electrical consumer or to an electrical memory such. B. can be delivered to an accumulator.
  • the internal combustion engine of the BFIKW generates exhaust gas that contains CO2 and escapes from the BFIKW via an exhaust 11.
  • the exhaust gas from the BFIKW can form part of the gas mixture via an exhaust pipe 12, which is symbolized by the gas cylinder 8, so that accordingly less pure CO2 has to be supplied in order to generate a gas at the feed point 6
  • the desired gas composition of what hydrogen and carbon dioxide that is to be introduced into the liquid
  • the exhaust gas can also be fed directly into the liquid can be fed, for example to Einspeisestel le 6 or to a second, separate exhaust gas feed point, so that the gas mixture additionally introduced into the liquid can have a correspondingly reduced CC content in order to achieve the desired substrate composition in the To achieve liquid.
  • the tubular reactor 1 can be set up as a comparatively flat reactor designed next to a building wall.
  • the tubular reactor 1 can also be designed in the form of a large hollow cylinder, namely as a helix, wherein the individual turns of the helix can be referred to as individual tube sections of the tubular reactor 1.
  • Such a helical tubular reactor 1 can be installed close to the wall inside a biogas fermenter so that comparatively constant temperature conditions inside the tubular reactor 1 can be maintained in favor of uniform results of the biological methanation over the different seasons and weather conditions.
  • the basic principle is implemented to use a tubular reactor with several deflections or bends in order to significantly increase the available reaction path for the catalytic conversion by the microorganisms.
  • the tube sections are arranged essentially horizontally and have a small angle of inclination so that the gas bubbles introduced are automatically directed upwards. In this way, challenging obstacles to biological methanation are significantly reduced.
  • such a structure enables biological methanization, in which pressure is not used, which has a positive effect on the safety requirements for the technology used. It takes place - except for the circulation of the liquid phase with- by means of the circulation pump 5 - no active stirring, which significantly reduces the energy input into the system.
  • the tube structure allows the system to be integrated into existing building complexes and can easily be expanded in a modular fashion. This underlines the desired decentralized and flexible

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Abstract

Bei einem Verfahren zur biologischen Methanerzeugung, wobei in einer Flüssigkeit mittels Mikroorganismen Wasserstoff und Kohlendioxid unter Bildung von Wasser zu Methan umgesetzt werden und die Flüssigkeit durch einen Röhrenreaktor (1) geleitet wird, welcher einen liegend ausgerichteten Röhrenabschnitt (2) aufweist schlägt die Erfindung vor, dass die Flüssigkeit eine wässrige Flüssigkeit ist, das Wasserstoffgas und das Kohlendioxidgas in die Flüssigkeit eingeleitet wird, und die Flüssigkeit im Kreislauf geführt wird. Weiterhin wird eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen, mit einem Röhrenreaktor (1), der mehrere übereinander verlaufende Röhrenabschnitte (2) aufweist.

Description

"Biologische Methanerzeugung"
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Methan gas.
Methangas kann als Energieträger genutzt werden, um bei spielsweise Brennkraftmaschinen zu betreiben und damit wiede rum elektrische Generatoren anzutreiben, oder um direkt in Heiz oder Kraftwerken als Brennstoff zu dienen. Mit zunehmendem Anteil von Solar- und Windkraftanlagen an der Energieerzeu gung nimmt auch das Problem größere Ausmaße an, dass bei mangelnder Lichteinstrahlung und mangelnder Luftströmung Versorgungslücken in der Energieversorgung auftreten. Die so genannte Dunkelflaute führt zu einem dementsprechend großen Ausfall natürlicher Energie. Hinzu kommt, dass durch die fluktu ierende Energieträger Schwankungen in der Netzfrequenz des elektrischen Strom- bzw. Spannungsnetzes verursacht werden können. Aufgrund des mehrere Staaten übergreifenden Netz- Verbundes kann dies mit weitreichenden unerwünschten Aus wirkungen auf Uhren, Anlagensteuerungen und dergleichen ver bunden sein.
Durch die Erzeugung und Speicherung von Methan kann eine Energiereserve bereitgestellt werden, um die erwähnten Versor gungslücken auszugleichen bzw. zu überbrücken. Dabei kann insbesondere überschüssige Energie zur Methanisierung ver wendet werden, die von den Verbrauchern momentan nicht be nötigt und abgenommen wird, so dass beispielsweise die Abga be derartiger Überschüsse zu sogenannten negativen Strom- preisen verringert oder sogar ganz vermieden werden kann.
Insbesondere vorteilhaft können anfallende Mengen von Koh lendioxid durch die Umsetzung zu Methan nutzbar gemacht wer den, indem Heizungsanlagen, Brennkraftmaschinen und ähnli- che Brenngasverbraucher mit Methangas betrieben werden kön nen.
Aus der Praxis ist es bekannt, Kohlendioxid und Wasserstoff zur Erzeugung von Methan nach der chemischen Umsetzungsformel 4H2 + CO2 - 2H2O + CH4 zu nutzen. Während das Kohlendioxid ohnehin bei etlichen technischen Anwendungen anfällt, bei spielsweise im Abgas von Brennkraftmaschinen vorliegt, kann der für dieses Verfahren benötigte Wasserstoff problemlos Elekt rolytisch aus Wasser erzeugt werden. Der Sabatier-Prozess, der zur Methanisierung angewendet wird, ist als ein technisches Ver fahren ausgestaltet, wobei an einem Ni-Katalysator bei erhöhtem Druck, der z. B. zwischen 5 und 80 bar betragen kann, und er höhter Temperatur, die z. B. zwischen 200 und 600°C liegen kann, die Methanisierung erfolgt. Der apparative Aufwand beein- trächtigt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, und die Einstel lung der erforderlichen Druck- und Temperaturniveaus beein trächtigt den Wirkungsgrad des Verfahrens, da für die Herstel lung des Energieträgers Methangas ein vergleichsweise hoher Energieaufwand erforderlich ist. Zudem ist der Einsatz hochrei- ner Stoffe erforderlich, so dass entweder bestimmte Quellen für die Bereitstellung der zu verwendenden Stoffe nicht infrage kommen, oder eine aufwändige Reinigung bzw. Aufkonzentrati on der zunächst vorliegenden Stoffe erforderlich ist, bevor diese in Verfahren zur technischen Methanisierung Anwendung finden können. Daher ist es alternativ bekannt, die Methanisierung biologisch durchzuführen. Dabei werden biologische Systeme zur katalyti schen Umsetzung innerhalb von Flüssigkeiten verwendet. In der Regel werden dazu gängige Rührkesselreaktoren (CSTR) ein gesetzt. Alternativ werden Rieselbettverfahren oder Membran verfahren verwendet. Beispielsweise werden derartige Verfahren und die dazu verwendeten Anlagen beschrieben, die einen 5 m3 Fermenter, einen CSTR, 16 bar Druck und Drehzahlen von mehr als 500 rpm verwenden, wobei 15 m3 CFU/h erzeugt werden, siehe die DE 102016 101 960 B4 oder die DE 102014 111 298 A1.
Eine biologische Methanisierung kann innerhalb eines Windra des erfolgen, siehe die EP 2867354 B1.
In der EP 2661 511 B1 wird ein Organismenstamm beschrie ben, der für die biologische Methanisierung besonders geeignet sein soll.
In der DE 102012221 286 A1 wird die Kombination einer ther mischen Vergasung mit einer biologischen Methanisierung vor geschlagen.
In der DE 102016000070 A1 wird die biologische Methanisie rung mittels einer anaerob-bioreaktiven permeablen Wand vor geschlagen.
Die Flauptprobleme bei der biologischen Methanisierung liegen in den speziellen Eigenschaften der verwendeten Gase CO2 und H2 begründet. Die Löslichkeit, besonders von H2, in Flüssigkeiten ist gering. Dazu kommt die schnelle Auftriebsgeschwindigkeit der eingebrachten Gasblasen innerhalb der Flüssigkeit, wodurch die Kontaktzeit der Gasphase mit den in der Flüssigkeit vorhande nen Mikroorganismen (Katalysatoren) stark verkürzt wird. Maß nahmen, um dem entgegenzuwirken, bestehen darin, den Druck und / oder die Rührgeschwindigkeit zu erhöhen. Aufgrund der dabei zugeführten Energie verringern derartige Maßnahmen al lerdings den gesamten Wirkungsgrad des jeweiligen Verfahrens. Hinzu kommt, dass alle Gase, Lösungen etc., die zugeführt wer den sollen, erst auf das entsprechende Druckniveau angehoben werden müssen.
Weiterhin ist es bekannt, auf biologischem Wege Methan aus ei nem Feststoff-Substrat zu gewinnen, wie dies beispielsweise in Biogasanlagen der Fall ist. Das Substrat stellt den Nährstoff für die Mikroorganismen dar. In den Biogasanlagen wird das Sub strat, z. B. Pflanzenfasern oder tierische Exkremente, für eine begrenzte Verweildauer innerhalb eines Reaktors belassen. Nachdem die Umsetzung des Substrats zur Gasausbeute abge schlossen und das Substrat dementsprechend verbraucht ist, wird die Flüssigkeit mitsamt den Substratrückständen aus dem Reaktor ausgeschleust. Die Flüssigkeit einschließlich der darin befindlichen Feststoffe ist insgesamt fließfähig ist und kann z. B. mittels Pumpen gefördert oder mittels eines Rührwerks homoge nisiert werden.
Aus der US 2012 / 0 164723 A1 ist eine Biogasanlage bekannt, aus deren Reaktortank eine Teilmenge der im Reaktortank be findlichen Flüssigkeit, einschließlich des darin enthaltenen Fest stoff-Substrats und der Mikroorganismen, ausgeschleust wird, so dass der Reaktor Tank neues, frisches Material aufnehmen kann. Die auszuschleusende Teilmenge der Flüssigkeit wird im oberen Bereich des Reaktortanks aus der im Reaktortank befind lichen Flüssigkeit abgezweigt und durch einen Röhrenreaktor schräg abwärts nach unten geführt und gelangt schließlich in ei nen Gasabscheidetank, wo das Gas aus der Flüssigkeit abge schieden und die Flüssigkeit aus der Anlage abgezogen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur bio logischen Methanisierung anzugeben, das mit möglichst gerin gem technischem Aufwand und mit einem hohen Wirkungsgrad durchführbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine dazu geeignete Anlage anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Anlage nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, eine biologische Methanisierung in einem Röhrenreaktor durchzuführen. Im Ver gleich zur Verwendung eines Kessels bzw. Behälters mit großem Querschnitt wird durch die Verwendung eines Röhrenreaktors ein intensiver Kontakt zwischen dem eingeleiteten Gas und den Mikroorganismen ermöglicht. Der apparative Aufwand eines Rührwerks ist nicht erforderlich, so dass erstens das Verfahren vereinfacht wird und mit einem besseren Wirkungsgrad betrie ben werden kann, da der Energieaufwand für den Betrieb des Rührwerks eingespart wird. Zweitens wird auch die betriebswirt schaftliche Effizienz dadurch verbessert, dass der Aufwand für die Anschaffung, den Betrieb und die Wartung des Rührwerks eingespart wird.
Der Röhrenreaktor weist vorschlagsgemäß einen liegend ausge richteten Röhrenabschnitt auf. Als liegend wird eine Ausrichtung bezeichnet, die entweder horizontal ist oder einen Winkel von maximal 45° gegenüber der Horizontalen aufweist - im Unter schied zu einer „stehenden“ Ausrichtung, die Winkel von mehr als 45° betrifft. In ersten Versuchen haben sich allerdings Nei gungswinkel als geeignet herausgestellt, die deutlich flacher als die erwähnten 45° verlaufen und beispielsweise 10% Steigung nicht überschreiten.
Durch den flachen Verlauf des Röhrenabschnitts wird verhindert, dass eine Gasblase, beispielsweise von eingeleitetem Wasser stoff oder Kohlendioxid, in zu kurzer Zeit durch die Flüssigkeit nach oben aufsteigt, so dass für die gewünschte biologische Umsetzung der Gase die Zeit nicht ausreichen würde. Vielmehr wird durch den flachen Verlauf des Röhrenabschnitts eine lange Verweilzeit sichergestellt, während welcher ein Kontakt der Gase mit den in der Flüssigkeit befindlichen Mikroorganismen erfolgen kann. Das aus dem Röhrenreaktors austretende Gas enthält Me than. Falls der Methangehalt dieses Austritts-Gases unterhalb eines Soll-Wertes liegt, kann das Austritts-Gas erneut in den Röhrenreaktor eingeleitet und somit im Kreislauf geführt werden, bis der Methangehalt im Austritts-Gas die gewünschte Konzent ration erreicht hat. Durch eine entsprechende wirksame Länge des Röhrenreaktors kann jedoch insbesondere vorteilhaft er reicht werden, dass eine solche Kreislaufführung nicht erforder lich ist, sondern das Austritts-Gas vielmehr eine so hohe Me than-Konzentration aufweist, dass es beispielsweise unmittelbar in ein öffentliches Gasnetz eingespeist werden kann.
Bei der erfindungsgemäß verwendeten Flüssigkeit handelt es sich um eine wässrige Flüssigkeit, also anders als bei der Bio gaserzeugung um eine Flüssigkeit, die im Wesentlichen frei von Feststoffen ist. In der Flüssigkeit sind einerseits die Mikroorga nismen enthalten und andererseits das gasförmige Substrat als Nährstoff für die Mikroorganismen.
Da, anders als bei einer Biogasanlage, nicht erst durch die Um setzung von Feststoff-Substrat ein Gas in der Flüssigkeit ent steht, das anschließend zur biologischen Methanerzeugung ver braucht wird, sondern da dieses Gas erfindungsgemäß extern bereitgestellt und in Form von Wasserstoff und Kohlendioxid in die Flüssigkeit eingeleitet wird und gelöst oder auch in Form von Blasen in der Flüssigkeit vorliegt, müssen keine Feststoffanteile in der Flüssigkeit mitgeführt werden, sofern die Mikroorganismen nicht als Feststoffe angesehen werden. Daher kann erfindungs gemäß eine feststoffarme (sofern die Mikroorganismen als Fest stoffe angesehen werden) oder sogar feststofffreie Flüssigkeit verwendet werden, was als wässrige Flüssigkeit bezeichnet wird. Im Vergleich zu einer Flüssigkeit, die einen so hohen Feststoff gehalt aufweist wie dies in einer Biogasanlage üblich ist, erfor- dert die erfindungsgemäß verwendete wässrige Flüssigkeit we niger Energie, um die Flüssigkeit zu bewegen und beispielswei se mittels einer Pumpe durch den Röhrenreaktor zu fördern. Die Flüssigkeit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im
Kreislauf geführt, so dass die darin enthaltenen Mikroorganis men erhalten bleiben. Im Unterschied zu einer Biogasanlage, wo mit der aus der Biogasanlage ausgeschleusten Flüssigkeit auch die weitgehend verbrauchten Substratrückstände sowie die in der Flüssigkeit enthaltenen Mikroorganismen ausgeschleust werden, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein beson ders kontinuierlicher Betrieb der Biogasanlage mit hoher Wirk samkeit ermöglicht, da von der Menge der zur Methanisierung erforderlichen Mikroorganismen keine nennenswerten Anteile aus der Anlage ausgeschleust und von den in der Anlage ver bliebenen Mikroorganismen regeneriert werden müssen.
In einer Biogasanlage werden die gesamten Substratrückstände mitsamt der sie enthaltenden Flüssigkeit und den darin befindli- chen Mikroorganismen aus der Anlage ausgeschleust, und ins gesamt muss ein so großes Volumen ausgeschleust werden, wie es die neu einzubringende Substratmenge erfordert. Bezogen auf die erzeugte Methangsamenge stellt dies ein bestimmtes erstes Volumen an Flüssigkeit dar, die aus der Anlage ausge- schleust wird. Im Unterschied dazu wird erfindungsgemäß die
Flüssigkeit im Kreislauf geführt und es findet eine Volumenzu nahme allenfalls in dem Umfang statt, wie zusätzlich zu dem Me thangas auch Wasser gebildet wird, welches das Volumen der wässrigen Flüssigkeit vergrößert. Wenn eine Flüssigkeitsmenge, die diesem zusätzlich entstehenden Volumen entspricht, aus der
Anlage ausgeschleust wird, um die Flüssigkeitsmenge in der An lage konstant zu halten, bedeutet die in Bezug auf die erzeugte Methangasmenge ein vergleichsweise deutlich geringeres Volu men, so dass die Verhältnisse in der Anlage in einem höheren Maße konstant gehalten werden können, die Mikroorganismen in geringerem Umfang regeneriert werden müssen und mit einer höheren Effizienz die biologische Methanisierung betreiben kön nen.
Vorteilhaft kann der Röhrenreaktor mehrere flach ausgerichtete Röhrenabschnitte aufweisen, die miteinander in Strömungsver bindung stehen, so dass insgesamt eine besonders große Länge des Röhrenreaktors und eine dementsprechend lange Verweil zeit des eingeleiteten Gases gewährleistet werden kann. Als Röhrenabschnitt wird im Rahmen des vorliegenden Vorschlags eine Teillänge des Röhrenreaktors bezeichnet, die als ein sepa rates Rohr ausgestaltet sein kann und mit anderen Röhrenab schnitten verbunden sein kann, um insgesamt den Röhrenreak tor zu bilden. Als Röhrenabschnitt kann aber auch ein Abschnitt eines ununterbrochenen, längeren Rohres des Röhrenreaktors bezeichnet sein.
Die Aufteilung des Röhrenreaktors in mehrere Röhrenabschnitte erlaubt es, den Röhrenreaktor in nahezu beliebigen Geometrien zu verwirklichen und dementsprechend an unterschiedliche Auf stellungsbedingungen anzupassen. Geradlinige Röhrenabschnit te können durch Zwischenstücke - beispielsweise durch Bogen stücke - miteinander verbunden sein und einen zickzackförmig oder mäanderförmig verlaufenden Röhrenreaktor bilden. Gebo gene Röhrenabschnitte können unmittelbar aneinander an schließen und beispielsweise einen Röhrenreaktor bilden, der wie ein großer Hohlzylinder wirkt und als Wendel ausgestaltet ist, wobei in diesem Fall ein Gang dieser Wendel als Röhrenab schnitt bezeichnet werden kann.
Die einzelnen Röhrenabschnitte können jeweils als separate Bauteile vorliegen. Besonders wirtschaftlich können jedoch han delsübliche Bauelemente genutzt werden, die bereits eine Mehr zahl von Röhrenabschnitten enthalten. Beispielsweise können so genannte Doppelstegplatten verwendet werden, die eine Vielzahl integrierter Kanäle mit jeweils rechteckigem Querschnitt aufwei sen, wobei jeder Kanal einen Röhrenabschnitt darstellt. Wenn an beiden Enden einer solchen Doppelstegplatte jeweils zwei be nachbarte Kanäle miteinander verbunden werden, so kann mit geringem Aufwand ein serpentinenförmig verlaufender Röhren reaktor geschaffen werden, der bei kompakten Abmessungen eine große Rohrlänge und eine dementsprechend lange Kon taktzeit der eingeleiteten Gase mit den Mikroorganismen ermög licht.
Vorteilhaft kann ein Röhrenabschnitt des Röhrenreaktors einen kreisrunden Innenquerschnitt aufweisen. Dies verhindert einer seits die Bildung strömungsberuhigter Totzonen, die den Wir kungsgrad des Röhrenreaktors beeinträchtigen könnten, da in ihnen möglicherweise kein intensiver Kontakt der Mikroorganis men mit Gasblasen erfolgt. Der kreisrunde Innenquerschnitt er leichtert zudem eine problemlose Reinigung der inneren Ober fläche des Röhrenreaktors von Anhaftungen, Ablagerungen und dergleichen.
Ein Röhrenabschnitt des Röhrenreaktors kann vorteilhaft nicht exakt horizontal verlaufen, sondern mit einem geringen An stiegswinkel nach oben ausgerichtet sein. Hierdurch wird unter stützt, dass sich die Gasblasen sammeln und automatisch im Röhrenreaktor aufsteigen, so dass sie am oberen Ende des Röhrenreaktors in einem Gassammler gesammelt werden kön nen. Das dort vorliegende Methangas kann vorteilhaft in regel mäßigen Abständen oder kontinuierlich in einen Methangasspei cher gepumpt werden, so dass der Gassammler am Röhrenre aktor kleinvolumig bemessen sein kann, was die Auswahl der in Frage kommenden Aufstellungsorte erweitert. Der Methangas speicher hingegen kann als klassisches Kessel- bzw. Silobau werk im Abstand vom Röhrenreaktor aufgestellt sein und durch eine Gasleitung mit dem Röhrenreaktor verbunden sein.
Im Vergleich zu einem kesselartigen Behälter kann der Röhren reaktor eine erheblich flachere bzw. schmalere Bauform aufwei sen, so dass er ähnlich wie eine Platte aufgestellt werden kann und sich problemlos in bestehende Umgebungen einfügen lässt, ohne beispielsweise Fahrstraßen oder Laufwege zu beeinträch tigen oder die Aufstellung von Anlagen, baulichen Einbauten o- der dergleichen zu verhindern.
Ohnehin kann der geradlinige oder kurvige Verlauf eines oder mehrere Röhrenabschnitte frei gewählt werden, so dass der Röhrenreaktor an vielen Aufstellungssorten betrieben werden kann, die für die Aufstellung klassischer, nämlich physikalisch oder chemisch wirkender Methanisierungs-Anlagen nicht infrage kommen. Hierdurch wird eine dezentrale Methanisierung erleich tert, so dass dementsprechend dezentral eine Methanspeiche rung erfolgen kann. Insbesondere angesichts einer fluktuieren den Energieerzeugung, wie sie beispielsweise durch Wind- oder Sonnenkraftwerke gegeben ist, kann durch die dezentrale Me thanspeicherung eine schwankende Energiebereitstellung ver gleichmäßigt werden, ohne eine aufwändige Infrastruktur von Pipelines oder Stromtrassen zu erfordern.
Falls der Röhrenreaktor insgesamt ein großes Volumen ein schließt, indem die Röhrenabschnitte z.B. kreisförmig oder rechteckig verlegt werden, so stellt der Röhrenreaktor quasi eine geringe Wandstärke dieses umschlossenen Volumens dar, so dass der Raum innerhalb dieses Volumens anderweitig genutzt werden kann. Beispielsweise kann der Röhrenreaktor auf der In nen- oder Außenseite eines Gebäudes vor einer Wand des Ge bäudes aufgebaut werden, oder er kann außen um das Gebäude herum aufgebaut werden oder innerhalb eines Raumes des Ge bäudes ringsum an den Wänden dieses Raumes verlaufen.
Wenn vorhandene Anlagen Temperaturen bereitstellen, die für die Durchführung des vorschlagsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sind, beispielsweise weil sie optimale Lebensbedingungen für die Mikroorganismen bieten, so kann der Röhrenreaktor außen um solche Anlagen herum aufgebaut werden, beispielsweise um ein Blockheizkraftwerk (BHKW) herum, um beispielsweise des- sen abgestrahlte Abwärme zu nutzen, oder der Röhrenreaktor kann innerhalb der Anlage angeordnet werden, beispielsweise innerhalb eines Tanks oder Reaktionsbehälters, z.B. innerhalb eines Fermenters, so dass dessen nutzbares Volumen nur ge ringfügig verringert wird, jedoch möglichst konstante Tempera turverhältnisse für die Mikroorganismen bereitgestellt werden können.
Die Mikroorganismen erlauben es, dass das Verfahren keine Druck- und Temperaturbedingungen erfordert, die stark von den Verhältnissen der Umgebungsatmosphäre abweichen und einen dementsprechend großen apparativen Aufwand erfordern wür den, welcher den Wirkungsgrad des Verfahrens beeinträchtigen würde. Vielmehr kann das Verfahren in einem sehr weiten Druckbereich durchgeführt werden, z. B. bei Drücken von 1 bis 16 bar, sowie in einem sehr weiten Temperaturbereich, z.B. bei Temperaturen, die von Minusgraden bis 60 oder 70 °C reichen können.
Anders als bei physikalischen oder chemischen Verfahren, die auf den Einsatz möglichst reiner Ausgangsmaterialien angewie sen sind, beispielsweise auf hochreine Wasserstoff- und Koh lendioxid-Gase, erlauben die Mikroorganismen problemlos die Verwendung auch verunreinigter Gase.
Und schließlich kann das Verfahren zur biologischen Methanisie rung auch problemlos intermittierend betrieben werden, indem beispielsweise über Stunden, Tage oder auch Wochen geringere Gasmengen in die Flüssigkeit eingeleitet werden, in welcher sich die Mikroorganismen befinden. Aufgrund der damit verbundenen Unterversorgung stellen die Mikroorganismen lediglich ihren Stoffwechsel ein, ohne aber abzusterben. Dementsprechend problemlos kann nach einer Phase der Unterversorgung wieder eine größere Gasmenge in die Flüssigkeit eingeleitet werden und sofort durch die Mikroorganismen zu Methan umgesetzt werden, so dass es das vorschlagsgemäße Verfahren erlaubt, quasi „ein- und ausgeschaltet“ zu werden. Das Verfahren kann somit problemlos an fluktuierende Energieträger angepasst wer den.
Als Mikroorganismen können insbesondere vorteilhaft Archaeen verwendet werden, auf welche die vorstehend erläuterten Vortei le und Eigenschaften zutreffen. Die Archaeen sind nicht nur im Bereich der obigen Druck- und Temperaturangaben, sondern auch noch darüber hinaus lebensfähig und wie beschrieben un empfindlich gegenüber einer Unterversorgung. Auch werden sie durch das Einleiten verunreinigte Gase in die Flüssigkeit, in wel cher sich die Archaeen befinden, nicht nennenswert beeinträch tigt, so dass die Verunreinigungen im Wesentlichen die Methani sierung nur in dem Umfang beeinträchtigen, in welchem sie die Menge der an sich gewünschten, zugeführten Stoffe durch ihre Beimengung reduzieren. Das vorgeschlagene Verfahren unter scheidet sich insofern sonders vorteilhaft von einem physikali schen oder chemischen Verfahren, bei denen die in den Gasen enthaltenen Verunreinigungen sich beispielsweise auf Katalysa toren anlagern können und diese in ihrer Wirksamkeit beein trächtigen können. Aufgrund ihrer physikalischen und chemi schen Robustheit können die Archaeen problemlos in Anlagen Anwendung finden, in denen die Flüssigkeit, in welcher sich die Archaeen befinden, wechselnden Temperaturen oder Drücken ausgesetzt ist. Beispielsweise hat sich in ersten Versuchen her ausgestellt, dass die Flüssigkeit einschließlich der darin enthal tenen Mikroorganismen problemlos durch eine Pumpstation wie z. B. eine Umwälzpumpe geführt werden kann. Im Vergleich zu einem Rührwerk erfordert eine Umwälzpumpe, die eine kontinu ierliche Durchströmung des Röhrenreaktors bewirkt, einen deut lich geringeren energetischen Einsatz und beeinträchtigt dem entsprechend den Wirkungsgrad des Verfahrens möglichst we nig
Die Bezeichnung der Archaeen beschreibt eine eigene Domäne im Reich der Lebewesen mit dem Phyla der Euryarchaeota und verschiedenen Klassen innerhalb der dazugehörigen Methan bildner. Es ist davon auszugehen, dass nicht nur eine einzelne Art der Archaeen im Rahmen des vorschlagsgemäßen Verfah rens hochrein in der Flüssigkeit vorliegen wird. Vielmehr ist da von auszugehen, dass sich angesichts der Stoffe, welche in die Flüssigkeit und damit den Mikroorganismen zugeführt werden, der gewünschte Archaeen-Stamm aufgrund der für diesen Stamm positiven Lebensbedingungen vermehrt und so automa tisch eine optimale Wirksamkeit bei der Durchführung des vor schlagsgemäßen Verfahrens sicherstellt.
Der Röhrenreaktor, der zur Durchführung des vorschlagsgemä ßen Verfahrens vorgesehen ist, kann besonders wirtschaftlich hergestellt werden, da Standardmaterialien verwendet werden können, beispielsweise handelsübliche Rohrleitungen, Verbin dungselemente, Beschlagelemente und dergleichen. Da eine Lichteinstrahlung keine Voraussetzung für die Durchführung des vorschlagsgemäßen Verfahrens ist, können preisgünstige Ele mente verwendet werden, die weder transparent noch transluzent sein müssen. Durch die Möglichkeit, den Röhrenre aktor ohne die Anwendung hoher Drücke oder hoher Temperatu ren zu betreiben, ergeben sich deutlich niedrigere Anforderun gen an die einzuhaltenden Sicherheitsstandards, so dass die Er richtung und der Betrieb einer Anlage, mit der das vorschlags gemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wirtschaftlich po sitiv beeinflusst werden.
Die Flüssigkeit kann grundsätzlich den Röhrenreaktor in beliebi ger Richtung durchströmen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Flüssigkeit bei einem schräg ansteigenden Verlauf der Röhrenabschnitte von unten nach oben durch die Röhrenab schnitte zu leiten, beispielsweise durch eine dementsprechende Anordnung einer Umwälzpumpe. Davon abweichend kann je doch vorteilhaft vorgesehen sein, die Flüssigkeit von oben nach unten durch die Röhrenabschnitte zu leiten, so dass sich die Flüssigkeit entgegen dem Bestreben der Gasblasen bewegt, in der Flüssigkeit nach oben aufzusteigen. Hierdurch kann bei un veränderten baulichen Abmessungen des Röhrenreaktors eine besonders lange Verweildauer der Gasblasen innerhalb der Flüssigkeit erreicht werden. Eine möglichst vollständige Umset zung der zugeführten Gase durch die Mikroorganismen kann auf diese Weise unterstützt werden, so dass das Verfahren mit ei nem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Falls vorgesehen ist, die Flüssigkeit im Röhrenreaktor mittels ei ner Pumpe zu bewegen, kann ein liegend ausgerichteter Röh renabschnitt beispielsweise horizontal verlaufen. Der Transport der Gasblasen zu einer Auslass- oder Sammelstelle, die für den Abzug des Gases vorgesehen ist, erfolgt in diesem Fall dadurch, dass die Gasblasen von der Flüssigkeit mitgenommen werden, die mittels der Pumpe umgewälzt wird.
Falls jedoch keine Umwälzung der Flüssigkeit mittels einer Pum pe vorgesehen ist, kann ein liegend ausgerichteter Röhrenab schnitt mit einem geringen Neigungswinkel ansteigend ausge richtet sein, so dass die Gasblasen aufgrund der Auftriebskräfte automatisch zu der erwähnten Auslass- oder Sammelstelle auf steigen. Der Neigungswinkel kann beispielsweise höchstens 10% betragen und wird so gewählt, dass ein optimaler Kompro miss gefunden ist zwischen zwei unterschiedlichen Eigenschaf ten: einerseits soll eine möglichst lange Haltedauer des Gases im Röhrenreaktor erreicht werden, um eine möglichst vollständi ge biologische Umsetzung des eingeleiteten CO2 zu ermögli chen. Andererseits soll das Gas zuverlässig den Röhrenreaktor durchströmen, so dass es bis zu der Auslass- oder Sammelstelle gelangt, und dabei soll vermieden werden, dass kleinere Gas blasen in einem Röhrenabschnitt zu lange verweilen und zu un erwünscht großen Gasblasen akkumulieren. Da die biologische Umsetzung von der Grenzfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit abhängt und viele kleinere Gasblasen eine größere Oberfläche bereitstellen als wenn dasselbe Gasvolumen auf nur wenige größere Gasblasen verteilt ist, kann eine zu geringe Strömungsgeschwindigkeit des Gases trotz der damit verbunde nen, längeren Verweildauer im Röhrenreaktor kontraproduktiv sein.
Vorteilhaft kann das Verfahren bei Normaldruck durchgeführt werden, so dass einerseits der apparative Aufwand zur Durch führung des Verfahrens gering gehalten werden kann und ande rerseits der Wirkungsgrad des Verfahrens nicht durch die Erfor dernis, besondere Drücke erzeugen und einhalten zu müssen, beeinträchtigt wird. Als Normaldruck wird der Druck bezeichnet, der innerhalb des Röhrenreaktors herrscht, ohne dass spezielle Maßnahmen zur Druckbeeinflussung angewendet werden. Dementsprechend wird einerseits als Normaldruck der Atmo sphärendruck angesehen, der als Umgebungsdruck bezeichnet werden kann und dort herrscht, wo das Verfahren betrieben wird, also beispielsweise dort, wo der Röhrenreaktor aufgestellt ist. Weiterhin wird als Normaldruck der Druck angesehen, der inner halb des Röhrenreaktors herrscht, ohne dass spezielle Einrich tungen zur Druckbeeinflussung Anwendung finden. Beispiels weise können allein aufgrund des hydrostatischen Drucks inner halb des Röhrenreaktors unterschiedliche Drücke herrschen, insbesondere wenn sich der Röhrenreaktor über eine ver gleichsweise große Höhe von z.B. 5 oder 10 m erstreckt, wobei diese unterschiedlichen Drücke als Normaldruck angesehen werden.
Der Begriff des Normaldrucks im Sinne der vorliegenden Erfin dung stellt also keinen bestimmten Druck-Messwert dar, sondern richtet sich nach dem Aufstellungsort und der konstruktiven Aus gestaltung der Anlage und ergibt sich dann, wenn die Anlage mit Flüssigkeit befüllt ist. Eine Pumpe, die dazu vorgesehen ist, die Flüssigkeit innerhalb der Anlage im Kreislauf zu führen, ist inso fern als Förderpumpe und nicht als Pumpe zur Druckerhöhung anzusehen, und ihr Betrieb führt nicht zu einer signifikanten Er höhung des in der Anlage herrschenden Drucks. Insbesondere findet auch kein Druckaufbau in der Anlage durch die Bildung des Methangases statt.
Bei der Erzeugung von Biogas in einer Biogasanlage, bei der ein festes Substrat umgesetzt wird, erfolgt durch die Umsetzung von Feststoff in Gas eine erhebliche Volumenzunahme, was einen Druckanstieg verursacht. Im Unterschied dazu werden erfin dungsgemäß zwei verschiedene Gase in Form von Wasserstoff und Kohlendioxid in die Flüssigkeit eingeleitet und von den Mik roorganismen zu Methan und zu Wasser umgesetzt. Die Gasmo leküle werden dementsprechend lediglich neu konfiguriert bzw. umgestellt. Hierbei erfolgt keine - oder zumindest keine nen nenswerte - Volumenzunahme, so dass, ausgehend von dem ohnehin in der Anlage herrschenden Normaldruck, kein zusätzli cher Druck in der Anlage aufgebaut wird. Das entstehende Me than wird aus der Anlage drucklos abgeführt, durch eine Einrich tung, die als Spundröhrchen oder Entgaser bekannt ist, so dass auch die im Laufe des Betriebs zunehmende Methanmenge nicht in der Anlage verbleibt und zu einem Druckanstieg führen würde.
In ähnlicher Weise kann das Verfahren nicht nur bei Normal druck, sondern vorteilhaft auch bei Normaltemperatur durchge führt werden. Als Normaltemperatur wird die Temperatur be zeichnet, die im Röhrenreaktor herrscht, ohne dass spezielle Maßnahmen zur Temperaturbeeinflussung Anwendung finden, also nicht eigens vorgesehene Heiz- oder Kühleinrichtungen zur Beeinflussung der Temperatur der Flüssigkeit im Röhrenreaktor verwendet werden. Als Normaltemperatur wird beispielsweise die Umgebungstemperatur bezeichnet, die außerhalb des Röh renreaktors herrscht. Dies kann beispielsweise die Lufttempera tur dort sein, wo der Röhrenreaktor aufgestellt ist, oder es kann die Temperatur im Inneren eines größeren Anlagenbehälters sein, in welchem der Röhrenreaktor aufgestellt ist. Bei einer Auf stellung im Freien kann die Normaltemperatur witterungsbedingt dementsprechend schwanken, während sie bei einer Aufstellung des Röhrenreaktors innerhalb eines Gebäudes oder beispiels weise im Fermenter einer Biogasanlage geringeren Schwankun gen unterliegt.
Das nach dem vorliegenden Vorschlag biologisch gewonnene Methangas kann einerseits in ein öffentliches Gasnetz einge speist werden, alternativ kann es jedoch auch - teilweise oder ganz - zum Betrieb eines BHKW genutzt werden. Das im Abgas des BHKW vorhandene CO2 kann zur Methanisierung genutzt werden und zu diesem Zweck in den Röhrenreaktor eingeleitet werden. Weiterhin kann mittels des BHKW elektrische Energie erzeugt werden, die zur elektrolytischen Wasserstoffgewinnung genutzt wird, so dass der gewonnene Wasserstoff ebenfalls in den Röhrenreaktor eingeleitet und zur Methanisierung genutzt werden kann.
Aufgrund der Toleranz der Mikroorganismen gegen Störeinflüs se, beispielsweise der weiter oben erwähnten Archaeen, kann beispielsweise das Abgas eines BHKW unmittelbar in die Flüs sigkeit eingeleitet werden, um auf diese Weise Kohlendioxid in die Flüssigkeit einzubringen. Durch diese Möglichkeit wird ein besonders effizienter Betrieb der Anlage weiter unterstützt, da es beispielsweise nicht erforderlich ist, dass CO2 zunächst aus dem Abgas herauszufiltern, um es in möglichst reiner Form den Mik roorganismen zuzuführen.
Das vorschlagsgemäße Verfahren kann beispielsweise in Ver bindung mit dem Betrieb einer Biogasanlage angewendet wer den. Das in der Biogasanlage erzeugte Brenngas kann zum Be trieb eines BHKW genutzt werden.
Wenn jedoch das in einer Biogasanlage erzeugte Biogas nicht mittels eines BHKW verströmt wird, sondern mittels einer Bio- gas-Aufbereitungsanlage aufbereitet und dann das daraus ge wonnene Methan in ein Gasnetz eingespeist wird, kann das aus dem Off-Gas der Aufbereitungsanlage stammende CO2 in den Röhrenreaktor eingeleitet werden.
Die vorschlagsgemäße Anlage kann zugunsten kompakter Ab messungen vorteilhaft nicht in Form einer einzigen, sehr langen Röhre ausgestaltet sein, die den Röhrenreaktor bildet, sondern vielmehr kann dieser aus mehreren strömungstechnisch mitei nander verbundenen Röhrenabschnitten gebildet sein. Dabei können diese mehreren Röhrenabschnitte vorteilhaft nicht aus schließlich nebeneinander angeordnet sein, was einen erhebli chen Flächenverbrauch für die Aufstellung des Röhrenreaktors bedeuten würde, sondern die Röhrenabschnitte können vielmehr übereinander angeordnet sein, wodurch sich die Auswahl geeig neter Aufstellungssorte erheblich erweitert.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, den Aufstieg von Gas im Inne ren des Röhrenreaktors zu behindern, um eine möglichst lange Zeitdauerzu erreichen, während welcher die Mikroorganismen in Kontakt mit dem Gas kommen, um auf diese Weise eine mög lichst vollständige Umsetzung des Gases zu Methan zu unter stützen. Alternativ zu der Maßnahme, einen Röhrenabschnitt in einem flachen Anstiegswinkel aufwärts auszurichten, oder auch zusätzlich zu dieser Maßnahme kann daher vorteilhaft vorgese hen sein, im Inneren des Röhrenabschnitts ein Feststoffmaterial anzuordnen, welches durchströmbar ist und dementsprechend von der Flüssigkeit und / oder dem Gas durchströmt werden kann. Ein offenporiger Schaum, ähnlich wie ein Schwamm, oder auch ein textiles Gebilde wie z.B. in Form eines Vlieses, eines Netzes, eines Gestrickes oder Gewirkes, oder ein Sintermaterial kann beispielsweise als ein solches durchström bares Feststoff material Anwendung finden.
Wenn dieses durchström bare Feststoffmaterial in der Flüssigkeit angeordnet ist, behindert es den Aufstieg der Gasblasen inner halb der Flüssigkeit, so dass eine möglichst lange Zeitdauer für die katalytische Wirkung der Mikroorganismen bei der Umset zung der Gase zu Methangas bereitgestellt werden kann.
Es ist davon auszugehen, dass sich das Gas im oberen Um fangsabschnitt des Röhrenabschnitts sammelt. Daher ist vorteil haft vorgesehen, dass das Feststoffmaterial zumindest teilweise in diesem oberen Umfangsabschnitt, also in dem Gasraum der Röhre, angeordnet ist. Auf diese Weise wird einerseits die Strö mung der Flüssigkeit bei ihrem Weg durch den Röhrenreaktors möglichst wenig behindert, so dass der Energiebedarf, der erfor derlich ist, um die Flüssigkeit im Kreislauf zu führen, vorteilhaft gering gehalten werden kann. Wenn jedoch die Methangas- Ausbeute so gering ist, dass das aus dem Röhrenreaktors aus tretende Gas erneut in den Röhrenreaktors eingeleitet werden muss, um eine Anreicherung und Aufkonzentrierung des Me thans auf ein gewünschtes Maß zu erreichen, kann es energe tisch vorteilhaft sein, anstelle einer solchen - und ggf. wiederhol ten - Kreislaufführung die Methangasausbeute durch einen in tensiveren Kontakt der Mikroorganismen mit dem Gas zu erhö hen, auch unter Inkaufnahme eines höheren Strömungswider standes für die Flüssigkeit.
Vorzugsweise ist das Feststoffmaterial in dem gesamten Gas raum des Röhrenabschnitts angeordnet, und insbesondere vor teilhaft erstreckt es sich auch bis in den mit Flüssigkeit gefüllten Bereich hinein, um eine problemlose Besiedlung mit den Mikro organismen zu unterstützen. In dem Gasraum des Röhrenab schnitts herrscht eine vom Flüssigkeitsdampf gesättigte Atmo sphäre, so dass davon auszugehen ist, dass die Mikroorganis men zumindest nach einer gewissen Betriebsdauer der Anlage nicht nur in der Flüssigkeit selbst vorliegen, sondern auch in ei nem Biofilm auf dem Feststoffmaterial angesiedelt sind. Dem entsprechend verbessert das Feststoffmaterial im Gasraum des Röhrenabschnitts auf zweifache Weise den Wirkungsgrad des Verfahrens: erstens wird rein mechanisch die Gasströmung im Gasraum des Röhrenabschnitts behindert, so dass das Gas län- ger im Röhrenreaktor gehalten wird. Zweitens wird über die bio logische Umsetzung hinaus, die im Flüssigkeitsraum des Röh renabschnitts erfolgt, durch den Kontakt des Gases mit dem Bio film auf dem Feststoffmaterial eine weitere biologische Umset zung auch derjenigen Gasanteile ermöglicht, die bereits aus der Flüssigkeit herausgetreten sind.
Eine andere Maßnahme, um einen möglichst intensiven Kontakt der einzelnen Gasbläschen mit den in der Flüssigkeit enthalte nen Mikroorganismen zu unterstützen, kann entweder aus schließlich oder zusammen mit anderen Maßnahmen - wie z.B. dem oben erwähnten Feststoffmaterial - angewandt werden. Diese Maßnahme besteht darin, im Inneren eines Röhrenab schnitts Leitelemente anzuordnen, welche die durch den Röh renabschnitt strömende Flüssigkeit umwälzt. So können bei spielsweise einzelne Stifte, vergleichsweise kleinflächige Paddel oder längliche Leisten, die sich in Längsrichtung eines Röhren abschnitts und ggf. über dessen gesamte Länge erstrecken, im Inneren des Röhrenabschnitts vorgesehen sein.
Die Leitelemente können entweder aufeinander abgestimmt in der Art zusammenwirkend angeordnet sein, dass sie beispiels weise eine Drehung der Strömung um die Längsachse des Röh renabschnitts bewirken. Hierzu können beispielsweise die er wähnten Leisten wendelförmig, ähnlich wie die Züge in einem Gewehrlauf, verlaufen. Die Leitelemente können jedoch auch bewusst so angeordnet sein, dass sie eine mehrfache, ungerich tete, turbulente Verwirbelung der Strömung bewirken, um eine besonders intensive Durchmischung aller Bestandteile innerhalb der Flüssigkeit zu erzielen, strömungsberuhigte Zonen zu ver meiden und ggf. auch größere Gasblasen in mehrere kleinere Gasblasen zu unterteilen.
Die oben erwähnten Leisten können beispielsweise jeweils sepa rat an der Innenseite eines Röhrenabschnitts montiert sein. Eine besonders einfache Montage der Leitelemente kann jedoch dadurch erreicht werden, dass die Leisten miteinander verbun den sind, beispielsweise durch Ringe, die quer zur Längsrich tung des Röhrenabschnitts verlaufen. Auf diese Weise können die Leisten zusammen mit den Ringen einen Einsatz bilden, der zunächst separat angefertigt werden kann und anschließend in den Röhrenabschnitt eingeschoben und dort festgelegt werden kann. Die Montage wird auch dadurch vereinfacht, dass zur Be festigung eines solchen Einsatzes weniger Befestigungselemen te oder weniger Befestigungsmaterial erforderlich ist als zur se paraten Befestigung der mehreren Leisten.
In einer anderen Ausgestaltung können die Leitelemente als Wendel ausgestaltet sein, z.B. wie ein Schneckengang einer Förderschnecke. Auf diese Weise ist die Handhabung mehrerer separater, über den Umfang des Röhrenabschnitts verteilter Leisten nicht erforderlich, sondern es wird ein einziges, zusam menhängendes Bauteil geschaffen, welches der durch den Röh renabschnitt strömenden Flüssigkeit den gewünschten Drall ver leiht. In Anpassung an die Länge des Röhrenabschnitts kann entweder eine derartige Wendel genauso lang sein wie der Röh renabschnitt, oder die Wendel kann aus mehreren Stücken zu sammengesetzt sein, so dass die entsprechend kurzen einzel nen Wendelstücke einfach herzustellen, zu transportieren und zu handhaben sind, und so eine problemlose, beschädigungsfreie Montage unterstützen.
Ein Leitelement, was in Form der erwähnten Wendel ausgestal tet ist, kann, in Längsrichtung der Wendel bzw. des Röhrenab schnitts betrachtet, in der Mitte offen sein und dort ein „Auge“ bilden, welches von der Wendelfläche umgeben ist, indem die Breite der Wendelfläche geringer ist als der halbe Durchmesser der Wendel. Ein solches Auge ergibt sich auch bei den weiter oben erwähnten Leisten, wenn deren Breite geringer ist als der halbe Innendurchmesser des Röhrenabschnitts. Durch das Auge wird theoretisch eine geradlinige Durchströmung der Leitelemen te für einen bestimmten Anteil der Flüssigkeit ermöglicht, was ei- nen geringen Strömungswiderstand bedeutet, während ein ande rer Anteil der Flüssigkeit schraublinienförmig in dem Raum zwi schen zwei benachbarten Abschnitten der Leitelemente geführt wird. Praktisch jedoch ergeben sich auch am äußeren Umfang des Auges Verwirbelungen. Durch die Bestimmung der Breite der Wendelfläche bzw. der Leisten kann das Verhältnis des Au gendurchmessers zum Durchmesser der Wendel bzw. zum In nendurchmesser des Röhrenabschnitts beeinflusst und dement sprechend das Verhältnis von Strömungswiderstand einerseits und Durchmischung der Flüssigkeit andererseits optimiert wer den.
Eine andere Maßnahme, um die Bestandteile der durch die Röh renabschnitte strömenden Flüssigkeit zu durchmischen, kann ebenfalls entweder nur für sich genommen vorgesehen sein oder in Kombination mit einer oder mehreren anderen der erwähnten Maßnahmen. Diese andere Maßnahme kann darin bestehen, Röhrenabschnitte und / oder die Zwischenelemente, welche be nachbarte Röhrenabschnitte miteinander verbinden, mit unter schiedlichen Querschnitten zu verwenden. Dies kann eine Ände rung der Größe der freien, durchströmbaren Querschnittsfläche betreffen, so dass sich engere und weitere Abschnitte im Verlauf des Röhrenreaktors ergeben. Aber auch bei gleich großer inne rer Querschnittsfläche kann eine Querschnittsänderung dadurch bewirkt werden, dass unterschiedliche Querschnittsgeometrien verwendet werden, beispielsweise ein Übergang von einer rechteckigen, quadratischen, ovalen oder kreisrunden Quer schnittsform zu einer jeweils anderen Querschnittsgeometrie. Auch eine Querschnittsänderung in beiderlei Hinsicht, also so wohl hinsichtlich der Größe der Querschnittsfläche als auch hin sichtlich der Querschnittsgeometrie, kann Anwendung finden.
Falls die Flüssigkeit mittels einer Pumpe umgewälzt wird, kann in einer ersten Ausgestaltung die Pumpe über eine längere Zeit kontinuierlich durchlaufen und die Flüssigkeit mit einer ver gleichsweise geringen Geschwindigkeit durch den Röhrenreaktor fördern. Alternativ dazu kann in einer zweiten Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Pumpe pulsatil betrieben wird, also in tervallartig und stoßweise. Hierdurch können hohe Strömungs geschwindigkeiten der Flüssigkeit erzielt werden, und wenn die Einschaltdauer der Pumpe im Vergleich zu den Pausenzeiten kurz gewählt ist, kann dennoch eine lange Verweildauer des Ga ses im Röhrenreaktor erreicht werden. Die hohen Strömungsge schwindigkeiten während des jeweils kurzzeitigen Pumpenbe triebs ermöglichen starke Verwirbelungen und damit einen inten siven Kontakt zwischen dem Gas und der Flüssigkeit zugunsten einer möglichst wirkungsvollen biologischen Umsetzung des Ga ses. Ggf. können durch derartige Verwirbelungen auch größere Gasblasen in mehrere kleinere aufgeteilt werden.
Falls die Flüssigkeit mittels einer Pumpe umgewälzt wird, kann eine automatische Regelung der Pumpe vorgesehen sein. Bei spielsweise kann am Ende des Röhrenreaktors, wo das zu Me than umgewandelte Gas entweder gesammelt wird oder durch einen Auslass den Röhrenreaktor verlässt, die Gaszusammen setzung automatisch analysiert werden und beispielsweise ent weder der Methangehalt oder der CC -Gehalt bestimmt werden, so dass jedenfalls eine Aussage darüber getroffen werden kann, wie vollständig das in den Röhrenreaktor eingeleitete CC -Gas zu Methan umgesetzt worden ist. In Abhängigkeit von diesem er fassten Umsetzungsgrad kann die Pumpe angesteuert werden, so dass bei einem geringeren Umsetzungsgrad die Pumpe ent weder langsamer oder mit größeren Pausenintervallen läuft und dementsprechend das Gas über eine längere Verweildauer im Röhrenreaktor gehalten wird, was zu einer vollständigeren Um setzung des Gases und einem dementsprechend höheren Um setzungsgrad führt.
Rein beispielhaft werden das vorschlagsgemäße Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Anlage anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher erläutert. In der Zeichnung ist mit 1 ein mäander- bzw. serpentinenförmi ger Röhrenreaktor dargestellt, der mehrere übereinander ange ordnete einzelne geradlinige Röhrenabschnitte 2 aufweist, die mithilfe von Rohrbögen 3 strömungstechnisch miteinander ver bunden sind.
In einem Vorlagebehälter 4 wird eine Flüssigkeit bereitgestellt, die Mikroorganismen enthält. Bei dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel enthält die Flüssigkeit Wasser, Vitamine, Spuren elemente, Mineral- und Nährstoffe, und als Mikroorganismen fin den Archaeen Anwendung. Die Flüssigkeit wird aus dem Vorla gebehälter 4 mittels einer Umwälzpumpe 5 in den Röhrenreaktor 1 und durch diesen hindurch gefördert.
Bevor die Flüssigkeit in den Röhrenreaktor 1 gelangt, wird ein Gasgemisch in die Flüssigkeit eingeleitet, was durch eine darge stellte Gasflasche 8 symbolisiert ist. Das Gasgemisch enthält sowohl Wasserstoff (H2) als auch Kohlendioxid (CO2). Eine Ein speisestelle, wo das Gasgemisch in die Flüssigkeit eingespeist wird, ist in der Zeichnung mit 6 gekennzeichnet.
Die einzelnen Röhrenabschnitte 2 verlaufen in einem geringen Anstiegswinkel aufwärts, so dass das Gas automatisch den Röh renreaktor 1 von unten nach oben durchströmt. Die Flüssigkeit wird mittels der Umwälzpumpe 5 bei dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel von unten nach oben durch den Röhrenreaktor 1 gefördert. Die Mikroorganismen in der Flüssigkeit setzen den Wasserstoff und das Kohlendioxid zu Methan um, so dass am oberen Austrittsende des Röhrenreaktors 1 Methan mit einem Reinheitsgrad von mehr als 97 % vorliegt.
Das Gemisch aus Gas und Flüssigkeit gelangt vom oberen Aus trittsende des Röhrenreaktors 1 in einen Gassammler 7. Ohne weitere technische Maßnahmen findet hier eine Trennung des Gases von der Flüssigkeit statt. Da der Gassammler 7 ein ver gleichsweise geringes Speichervolumen für das erzeugte Me- thangas aufweist und lediglich als Zwischenspeicher dient, wird das Methangas oben aus dem Gassammler 7 abgezogen und kann einem in der Zeichnung nicht dargestellten Gasspeicher zugeführt werden, der ein größeres Fassungsvolumen aufweist. Die Flüssigkeit bleibt im unteren Bereich des Gassammlers 7 zu rück und gelangt von dort in den Vorlagebehälter 4, so dass sie von dort mittels der Umwälzpumpe 5 erneut im Kreislauf geführt werden kann.
Gas, welches sich noch innerhalb des Vorlagebehälters 4 aus der Flüssigkeit abscheidet, wird in den Gassammler 7 geleitet, und zwar unmittelbar in dessen oberen Bereich, also in den Gas raum des Gassammlers 7.
Das erzeugte Methangas kann aus dem erwähnten, in der Zeichnung nicht dargestellten Zwischenspeicher als Brenngas einem Blockheizkraftwerk (BFIKW) zugeführt werden, um einen Verbrennungsmotor des BFIKW zu betreiben. In der Zeichnung ist rein beispielhaft angedeutet, dass über eine Brennstoffleitung 9 das erzeugte Methangas direkt in das BFIKW geführt wird. Der Verbrennungsmotor des BFIKW erzeugt unter anderem elektri sche Energie, die über einen elektrischen Anschluss 10 an einen elektrischen Verbraucher oder an einen elektrischen Speicher wie z. B. einen Akkumulator abgegeben werden kann.
Weiterhin erzeugt der Verbrennungsmotor des BFIKW Abgas, das CO2 enthält und über einen Auspuff 11 aus dem BFIKW ge langt. In der Zeichnung ist rein beispielhaft angedeutet, dass über eine Abgasleitung 12 das Abgas aus dem BFIKW einen Teil des Gasgemisches bilden kann, das durch die Gasflasche 8 symbolisiert wird, so dass dementsprechend weniger reines CO2 zugeführt werden muss, um an der Einspeisestelle 6 ein Gas gemisch mit der gewünschten Gaszusammensetzung von Was serstoff und Kohlendioxid bereitstellen zu können, das in die Flüssigkeit eingeleitet werden soll. Abweichend von dem darge stellten Ausführungsbeispiel kann das Abgas aber auch direkt in die Flüssigkeit geführt werden, beispielsweise zur Einspeisestel le 6 oder zu einer zweiten, eigenen Abgas-Einspeisestelle, so dass das zusätzlich in die Flüssigkeit eingeleitete Gasgemisch einen dementsprechend reduzierten CC -Anteil aufweisen kann, um zusammen mit dem Abgas die gewünschte Substrat- Zusammensetzung in der Flüssigkeit zu erreichen.
Der Röhrenreaktor 1 kann als vergleichsweise flach ausgestalte ter Reaktor neben einer Gebäudewand aufgestellt werden. Ab weichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Röhrenreaktor 1 jedoch auch in Form eines großen Hohlzylin ders ausgestaltet sein, nämlich als Wendel, wobei die einzelnen Gänge der Wendel als einzelnen Röhrenabschnitte des Röhren reaktors 1 bezeichnet werden können. Ein derartiger wendelför miger Röhrenreaktor 1 kann wandnah im Inneren eines Biogas- Fermenters aufgestellt werden, so dass zugunsten gleichmäßi ger Ergebnisse der biologischen Methanisierung über die unter schiedlichen Jahreszeiten und Witterungsbedingungen hinweg vergleichsweise konstante Temperaturverhältnisse im Inneren des Röhrenreaktors 1 eingehalten werden können.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Grundprinzip verwirklicht, einen Röhrenreaktor mit mehreren Umlenkungen bzw. Biegungen zu verwenden, um die zur Verfügung stehende Reaktionsstrecke für den katalytischen Umsatz durch die Mikro organismen deutlich zu erhöhen. Die Röhrenabschnitte sind da bei im Wesentlichen horizontal angeordnet und weisen einen kleinen Neigungswinkel auf, so dass die eingebrachten Gasbla sen automatisch nach oben geleitet werden. Somit werden her ausfordernde Flemmnisse der biologischen Methanisierung deut lich reduziert.
Außerdem ermöglicht ein derartiger Aufbau eine biologische Me thanisierung, bei welcher drucklos gearbeitet wird, was die Si cherheitanforderungen an die verwendete Technik positiv beein flusst. Es erfolgt - bis auf die Umwälzung der Flüssigphase mit- tels der Umwälzpumpe 5 - keine aktive Rührung, was den Ener gieeintrag in das System deutlich reduziert. Der Röhrenaufbau erlaubt eine Integration der Anlage in bereits bestehende Ge bäudekomplexe und ist dazu problemlos modular erweiterbar. Dies unterstreicht den erwünschten dezentralen und flexiblen
Einsatzbereich, der für eine Adaption an das zukünftig immer stärker fluktuierende Energienetz geeignet ist.
Bezugszeichen:
1 Röhrenreaktor
2 Röhrenabschnitt
3 Rohrbogen
4 Vorlagebehälter
5 Umwälzpumpe
6 Einspeisestelle
7 Gassammler
8 Gasflasche
9 Brennstoffleitung
10 Elektrischer Anschluss
11 Auspuff
12 Abgasleitung BHKW Blockheizkraftwerk

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur biologischen Methanerzeugung, wobei in einer Flüssigkeit mittels Mikroorganismen Wasser stoff und Kohlendioxid unter Bildung von Wasser zu Me than umgesetzt werden, und die Flüssigkeit durch einen Röhrenreaktor (1) geleitet wird, welcher einen liegend ausgerichteten Röhrenab schnitt (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine wässrige Flüssigkeit ist, das Wasserstoffgas und das Kohlendioxidgas in die Flüs sigkeit eingeleitet wird, und die Flüssigkeit im Kreislauf geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch mehrere Röhrenabschnitte (2) geleitet wird, die miteinander in Strömungsverbindung ste hen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Röhrenabschnitt (2) mit einem geringen Anstiegs winkel nach oben verläuft.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das entstandene Methangas in einem Gassammler
(7) gesammelt und zwischengespeichert wird, und dass der Gassammler (7) geleert und das Methangas in einen Methangasspeicher gefördert wird, der ein größe res Speichervolumen aufweist als der Gassammler (7).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit von oben nach unten durch einen Röh renabschnitt (2) geleitet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Normaldruck durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Normaltemperatur durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgas eines BHKW enthaltenes C02 in den Röh renreaktor (1 ) eingeleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das im Röhrenreaktor (1) erzeugte Methangas zum Betrieb des BHKW verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Biogasanlage erzeugtes Biogas in einer Bio- gas-Aufbereitungsanlage aufbereitet wird und das daraus gewonnene Methan in ein Gasnetz eingespeist wird, und das aus dem Off-Gas der Aufbereitungsanlage stam mende CO2 in den Röhrenreaktor (1) eingeleitet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit als Mikroorganismen Archaeen zur biologischen Methanisierung verwendet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zu Beginn des Verfahrens in der Flüssig keit eine Mischung unterschiedlicher Archaeen-Stämme verwendet wird.
13. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Röhrenreaktor (1), der mehrere übereinander verlaufende Röhrenabschnitte (2) aufweist.
14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrenabschnitte (2) geradlinig verlaufen und der Röhrenreaktor (1) Rohrbögen (3) aufweist, welche benach barte Röhrenabschnitte (2) miteinander verbinden.
15. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrenabschnitte (2) gebogen verlaufen und je weils einen Gang einer Wendel bilden, derart, dass der Röhrenreaktor (1) insgesamt als Wendel ausgestaltet ist.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Röhrenreaktor (1) im Inneren eines Biogas- Fermenters angeordnet ist.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass einem Biogas-Fermenter ein BH KW zugeordnet ist, welches mit dem erzeugten Biogas betrieben ist, wobei eine Abgasleitung des BHKW mit einer in den Röh renreaktor (1) mündenden CC -Einlassleitung in Strö mungsverbindung steht.
18. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass einem Biogas-Fermenter eine Biogas- Aufbereitungsanlage zugeordnet ist, welche zur Gewinnung von einerseits Methan und andererseits C02-haltigem Off- Gas aus dem Biogas ausgestaltet ist, wobei eine das aus dem Off-Gas stammende CO2 führende Gasleitung mit einer in den Röhrenreaktor (1) mündenden C02-Einlassleitung in Strömungsverbindung steht.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren eines Röhrenabschnitts (2) ein durch- strömbares Feststoff-Material angeordnet ist.
20. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren eines Röhrenabschnitts (2) die durch den Röhrenabschnitt (2) strömende Flüssigkeit umwälzende Leitelemente angeordnet sind.
21. Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente aufeinander abgestimmt in der Art zusammenwirkend angeordnet sind, dass sie eine Drehung der Strömung um die Längsachse des Röhrenabschnitts bewirken.
22. Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente als längliche Leisten ausgestaltet sind, die wendelförmig verlaufen und sich in Längsrichtung eines Röhrenabschnitts und ggf. über dessen gesamte Länge erstrecken.
23. Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente als Wendel in Art einer Schnecke ausgestaltet sind.
24. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Röhrenabschnitte (2) und / oder Zwischenelemente, welche benachbarte Röhrenabschnitte (2) miteinander ver binden, unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
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