WO2006111124A2

WO2006111124A2 - Verfahren und anlage zur gewinnung von biogas aus bioorganischen reststoffen

Info

Publication number: WO2006111124A2
Application number: PCT/DE2006/000516
Authority: WO
Inventors: Günter Schulze
Original assignee: Schulze Guenter
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2006-10-26
Also published as: US20080193993A1; AU2006236970A1; EP1871891A2; JP2008536668A; ZA200710043B; DE102005019445A1; CA2605591A1; WO2006111124A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus verschiedenen organischen Abfallstoffen aus Haushalten, Betrieben der Land- und Forstwirtschaft sowie Industrie- und Gewerbebetrieben (bioorganische Reststoffe) mittels anaerober alkalischer Schlammfaulung. Gemäß der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung sollen insbesondere der anlagentechnische und energetische Aufwand und darüber hinaus der Arbeitsaufwand zur Aufbereitung auch schwer abbaubarer bioorganischer Reststoffe für die Umsetzung großer Stoffmengen in als Energiequelle verwertbares methanhaltiges Gas deutlich reduziert werden. Erfindungsgemäß werden zu diesem Zweck als Faulraum zumindest zwei unterirdische, durch vorherigen Abbau verbliebene, ungefähr horizontal verlaufenden Hohlräume eines stillgelegten Steinkohlenbergwerks genutzt und alle Hohlräume des Bergwerkes an einer oder mehreren Stellen durch definierte Gas ableitende Bohrungen derart miteinander verbunden, dass diese Bohrungen allesamt in einem am höchsten Punkt des Bergwerkes befindlichen Gassammelbehälter münden. Erfindungsgemäß werden bioorganische Reststoffe in großer Menge unzerkleinert in den Faulraum eingebracht, wo die Schlammfaulung über Langzeitreaktionen ohne zusätzliche Aufheizung bei einem gegebenen Temperaturniveau zwischen 5 °C und 70 °C erfolgt.

Description

Verfahren und Anlage zur Gewinnung von Biogas aus bioorganischen Reststoffen

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Biogas aus verschiedenen organischen Abfallstoffen aus Haushalten, Betrieben der Land- und Forstwirtschaft sowie Industrie- und Gewerbebetrieben (bioorganische Reststoffe) mittels anaerober alkalischer Schlammfaulung durch diverse Stämme von Methanbakterien mit einem Faulraum und einer Zuleitung für die bioorganischen Reststoffe.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus bioorganischen Reststoffen bei dem in mindestens einen natürlich vorhandenen Faulraum verschiedene organische Abfallstoffe eingebracht und nach dem Prinzip der anaeroben alkalischen Schlammfaulung mittels diverser Stämme von Methanbakterien in methanhaltiges Biogas umgesetzt werden.

Methanhaitiges Gas wird zum Beispiel auch aus den Gruben von Steinkohlenbergwerken gewonnen (Grubengas) . Auch das Grubengas besteht, wie das Biogas, aus den beiden Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid. In den Steinkohlenbergwerken tritt das Grubengas infolge der Auflockerung und Druckreduzierung der Flöze aus diesen aus . Wie in der einleitenden Beschreibung der deutschen Offenlegungsschrift 1 758 628 beschrieben, wird zur Ge- winnung verwertbarer Grubengasmengen und gleichzeitig zur Vermeidung explosionsfähiger Luft-Gas-Gemische das Grubengas während der Ausbeutung mittels Bohrungen unmittelbar aus den Flözen abgesaugt. Auch wenn aufgrund der in den Schächten des in Betrieb befindlichen Steinkohlenbergwerkes enthaltenen Luft ein Gemisch von Methan und Luft gewonnen wird, ist der Methananteil mit 80% hoch genug für eine technische Verwertung. Jedoch enthält das Gemisch nicht unbeträchtliche Luftmengen, wenn stillgelegte Schächte verschlossen und das Grubengas dort abgesaugt wird. Die Nutzung eines Grubenschachtes für eine Abwasserkläranlage ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 35 38 183 bekannt. Jedoch erfolgt hier lediglich die Nutzung der senkrechten Schächte für die Abwasserklärung, Biogas wird nicht gewonnen.

Es gehört seit langem zum Stand der Technik, dass Abwasserschlamm aus Absetzanlagen größerer kommunaler Kläranlagen in geschlossenen Faulanlagen bei einer Temperatur zwischen 28 und 42 ⁰C (mesophiler Bereich) durch Methanbakterien in erster Faulstufe innerhalb von 10 bis 21 Tagen zersetzt und ein Teil der organischen Substanz in Biogas umgewandelt wird. In seltenen Fällen erfolgt der biologische Prozess bei einer Temperatur zwischen 42 und 60 ⁰C (thermophiler Bereich) . Im Anschluss an die erste Faulstufe wird zur weiteren Zersetzung der organischen Substanz eine zweite Faulstufe in offenen, nicht beheiz- ten Nachfaulbecken bei einer Verweilzeit bis zu 100 Tagen betrieben. Als Nachteil der bekannten Verfahren ist der enorme Energieaufwand zur Erwärmung der organischen Substanzen auf die gewählte Faulraumtemperatur zu sehen. Damit ist auch eine hohe Kohlendioxid-Emission verbunden. Neuerdings sehen bekannte Lösungen vor, dem Abwasserschlämm Gülle aus der Tierhaltung und/oder sonstige organische Abfälle aus Haushalten und der Industrie beizumischen. Das aus diesen Substanzen gewonnene Biogas wird vorwiegend in Kesselanlagen verbrannt und der erzeugte Dampf zur Erwärmung der Ausgangsstoffe in geschlossenen Faulanlagen verwendet. Überschüssiges Biogas wird in der warmen Jahreszeit hauptsächlich in Blockheizkraftwerken zur Stromerzeugung verwendet. In den Wintermonaten muss der Abwasserschlamm der Kläranlagen sowie die beigefügten organischen Substanzen von durchschnittlich 5 ⁰C auf zirka 33 ⁰C aufgeheizt werden, wodurch das gewonnene Biogas fast vollständig verbraucht wird.

Es ist auch bekannt, dass organische Substanzen, bestehend aus getrocknetem, frischem Abwasserschlamm und/oder Faulschlämmen mit sonstigen organischen Abfällen vermischt und kompostiert wird. Anschließend erfolgt eine landwirtschaftliche Verwertung oder eine Rekultivierung verödeter Flächen. Die DE-OS 4003487 beschreibt ein Verfahren zur Stabilisierung von in einem Faul- räum eingebrachten Schlamm, bei dem in einer Vorstufe eine aerobe/anaerobe Behandlung erfolgt. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei einer aeroben Vorbehandlung kein Biogas, sondern nur Kohlendioxid gebildet wird. Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 758 628 wird ein Verfahren zur Gewinnung von Grubengas einer vorher teilweise ausgebeuteten unterirdischen Steinkohlenlagerstätte unter Schließen der Zugangsschachte und Leiten des Grubengases von den Abbauorten zur Oberfläche beschrieben. In der österreichischen Patentschrift 361 015 werden ein Verfahren zur Herstellung von Biogas und eine Anlage in Form einer Anordnung mehrerer oberirdischer Gärkessel und Absetzkessel für aerob vorbehandelte organische Abfallstoffe dargelegt. Die Offenlegungsschrift des Europäischen Patents 1 488 855 beschreibt ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Biogas aus Biomüll, wobei der Biomüll zerkleinert und vor dem teilweise biologischen Abbau unter Abgabe von Wasser vorgepresst wird. Die Verpressung ist derart durchzuführen, dass der durch die Abgabe von Wasser bewirkte Gewichtsverlust des Biomülls mindestens 50 % beträgt. Allen diesen bekannten Lösungen haften solche Nachteile an, wie hoher apparativer Aufwand, verbunden mit extrem hohen Betriebskosten und eingeschränkter Verwertungsmöglichkeit des gewonnenen Gases . Eine komplette Zusammenfassung der Verfahren und Anlagen zum Stand der Technik sind dem speziellen Fachbuch „Anaerobe alkalische Schlammfaulung" von H. Roediger, M. Roediger und H. Kapp, 01- denbourg-Verlag München Wien (4. Auflage, Jahrgang 1990) zu entnehmen. Auch ist bekannt, dass Haus- und Industriemüll ohne Vorbehandlung in Deponien abgelagert wird. Es tritt durch den Luftsauerstoff eine Kompostierung ein, wobei der überwiegende Teil der organischen Substanz dieser Abfallstoffe aerob mit Hilfe der Prozesswärme in umweitschädliches Kohlendioxid umgewandelt wird. Erst nach weiteren größeren Ablagerungen wird der Zugang des Luftsauerstoffs unterbunden und die aerob arbeitenden Mikroorganismen sterben ab. Methanbakterien übernehmen dann nach einem längeren Zeitraum die Zersetzung weiterer organi- scher Substanzen unter Bildung von Deponiegas. Geringe Mengen Deponiegas oder Gase mit geringem Methangehalt werden abgefackelt. Erst größere Mengen können eine Verstromung in Block- heizkraftwerken ermöglichen. Weitere Nachteile solcher bekannten Lösungen, die hauptsächlich der Entsorgung von Biomüll dienen, bestehen sowohl im enormen Energieverbrauch für das Aufheizen des Biomülls auf die festgelegte Faulraumtemperatur und den Ausgleich der nicht vermeidba- ren Abstrahlungsverluste als auch in der Entstehung beachtlicher Mengen Kohlendioxid durch die Verbrennung des Biogases oder fossiler Brennstoffe. Werden kommunalem Abwasserschlamm oder flüssiger Gülle aus der Tierhaltung bioorganische Reststoffe aus Haushalten sowie der Industrie beigemischt und in Faulanlagen gemeinsam der anaeroben alkalischen Schlammfaulung unterzogen, ist eine maschinelle Zerkleinerung - wie zum Beispiel in EP 1 488 855 Al beschrieben - erforderlich, damit die bakterielle Zersetzung innerhalb der geringen Faulzeit ermöglicht und die Masse durch Schlammpumpen gefördert werden kann. Vor der Zerkleinerung der beizufügenden bioorganischen Reststoffe ist auch ein kostenaufwendiges Aussortieren und Entsorgen von Fremdstoffen (Steine, Glas, Metalle und Kunststoffe) eine Bedingung, um Schäden an den Anlagen zu vermeiden. Diese Prozesse sind technisch und finanziell sehr aufwendig. Das in offenen Nachfaulbecken entstehende Biogas mit einem hohen Anteil an Methan gelangt ungenutzt in die Atmosphäre und fördert den Treibhauseffekt. Rechengut aus kommunalen Kläranlagen, welches vorwiegend aus stark verschmutzten Papierabfallen und Textilien besteht, muss in Deponien untergebracht oder ver- brannt werden. Eine Verwertung war bisher nicht möglich. Der große Nachteil der Kompostierung von organischen Abfällen besteht darin, dass die zersetzte organische Substanz zu 100 % in Kohlendioxid umgesetzt wird, wodurch eine erhebliche Belastung der Umwelt durch dieses Treibgas eintritt. Neben den techni- sehen und ökologischen Nachteilen entstehen durch die bekannten Verfahren zur Vorbehandlung von bioorganischen Reststoffen erhebliche Kosten.

In einem Verfahren zur Erzeugung von Biomasse, beschrieben in der deutschen Offenlegungsschrift 100 62 030, werden anstelle von geschlossenen oder offenen Fermentationsbehältern aufgelassene, von salzhaltigen Wänden umschlossene Hohlräume in stillgelegten Salzbergwerken für die Fermentation genutzt, um größere Mengen Biomasse herstellen zu können, ohne aufwendige und korrosionsbeständige Produktionsanlagen herstellen zu müssen. Jedoch können nur solche Prozesse zur Anwendung kommen, die halophile Organismen zur Umsetzung verwenden, d. h. Organismen, zu deren Kultivierung Salz in größeren Mengen erforderlich ist und deshalb unter diesem Bedingungen wirken können. Die Gewinnung von Biogas ist nicht Bestandteil des dargelegten Verfahrens .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage und ein Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus bioorganischen Rest- Stoffen anzugeben, womit der anlagentechnische und energetische Aufwand und darüber hinaus der Arbeitsaufwand zur Aufbereitung auch schwer abbaubarer bioorganischer Reststoffe für die Umsetzung großer Stoffmengen in als Energiequelle verwertbares me- thanhaltiges Gas deutlich reduziert werden kann. Außerdem soll dem Klimaschutz Rechnung getragen und der durch herkömmliche Verbrennung des methanhaltigen Gases oder fossiler Brennstoffe entstehende Treibhauseffekt des Kohlendioxids vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausgestaltungen der Anlage und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgezeigt .

Für diese Form der Gewinnung von Biogas aus bioorganischen Reststoffen nach dem Prinzip der anaeroben alkalischen Schlamm- faulung durch diverse Stämme von Methanbakterien über Langzeit- reaktionen sind solche bereits stillgelegten Steinkohlenbergwerke besonders geeignet, da die Investitionskosten für den Bau von geschlossenen Faulanlagen entfallen. Dafür ist es erforderlich, in dem Bergwerk die vorhandenen Hohlräume der Stollen, Strecken und Strebe in die erfindungsgemäße Lösung einzubezie- hen .

Ein besonders positiver Effekt der Erfindung ist, dass als Energiequelle die Erdwärme zur Schaffung eines Temperaturniveaus ohne zusätzliche Aufheizung genutzt werden kann, um für die Methanbakterien optimale Lebens- und Reaktionsbedingungen zu gewährleisten. Da Methanbakterien sehr anpassungsfähig sind und unterschiedliche Stämme aufweisen, werden organische Abfallstoffe zwischen 5 ⁰C und 70 ⁰C im cryophilen Bereich (unter 10 ⁰C) , in der milden Zone (zwischen 10 ⁰C und 28 ⁰C), im mesophilen (zwischen 28 ⁰C und 42 ⁰C) und im thermophilen Temperaturbereich (zwischen 42° C und 70 ⁰C) in Biogas umgesetzt. Erst bei einer Temperatur oberhalb 70 ⁰C sterben Methanbakterien ab. Somit sind diese Hohlräume als Faulräume zu nutzen, in denen unter Berücksichtigung der Selbsterwärmung der bioorganischen Rest- Stoffe eine Temperatur in diesem Temperaturbereich im Verlauf der Langzeitreaktion zu gewährleisten ist.

Die erfindungsgemäße Anlage und ebenso das Verfahren gewährleisten die nachstehende Dreifachnutzung erneuerbarer Energien:

a) Energetische Mitnutzung des noch in kleiner Menge anfallen- den Grubengases mit Vermeidung des Treibhauseffektes;

b) Erwärmung der eingebrachten bioorganischen Reststoffe durch die Geothermie, wodurch enorme Heizungskosten eingespart und damit kohlendioxidhaltige Treibhausgase der Umwelt ferngehalten werden und

c) Erzeugung von Biogas durch Methanbakterien in einer Lang- zeitreaktion bis zu 20 Jahren, wodurch schwer abbaubare Abfälle, wie z.B. Hecken- und Baumverschnitt, nahezu vollständig zersetzt werden. Nach den bisher bekannten Verfahren mit 10 bis 21 Tagen Verweilzeit verblieben diese Cellulose- Abfälle in ihrem ursprünglichen Zustand.

Das gewonnene Biogas kann zur Energieerzeugung an sich bekannten Gasverwertungseinrichtungen, wie Blockheizkraftwerke und/oder Hochtemperatur-Brennstoffzellen zugeführt werden. Des Weiteren ist die ohne Gefahr für die Umwelt arbeitende Anlage kombinierbar mit Varianten der an sich bekannten Grubengasgewinnung und koppelbar mit bekannten Einrichtungen zur wirtschaftlichen Verwertung des gewonnenen Gases, insbesondere zur Erzeugung von Elektroenergie.

Besonders vorteilhafte Synergieeffekte sind nutzbar, wenn sol- che Steinkohlenbergwerke für die erfindungsgemäße Anlage umge- rüstet werden, in denen Grubengas schon abgesaugt und energetisch verwertet wurde, die Anlagen aber wegen des zu geringen GrubengasanfalIs nicht mehr wirtschaftlich arbeiteten. Die Kombination von Grubengas- und Biogasgewinnung in stillgelegten unterirdischen Bergwerken ist ein besonders positiver Effekt der Erfindung. Da das Bergwerk bereits für die Grubengasgewinnung benutzt wurde und alle vorhandenen Hohlräume über das Bewetterungssystem verbunden sind, waren zusätzliche Bohrungen zwischen den Stollen, Blindstollen und Schächten nicht erfor- derlich.

Hier können bereits vorhandene Anlagenteile und Einrichtungen zur Verwertung des Grubengases, wie Saugvorrichtung und Block- heizkraftwerk, weiter betrieben und für die erfindungsgemäße Biogasgewinnung bei geringstem Nachrüstaufwand mitgenutzt wer- den. Die Kombination von Grubengas- und Biogasgewinnung führt zu einer noch größeren Gasausbeute. Auch kleine Grubengasrestmengen sind zusammen mit dem gewonnenen Biogas noch wirtschaftlich verwertbar und gelangen somit nicht in die Atmosphäre. So ist auch eine Integration der Gasgewinnung aus nicht abgebauten Flözen in die erfindungsgemäße Anlage und das Verfahren vorteilhaft für die Gewinnung von für die Energiegewinnung verwertbarem Biogas .

Außerdem sieht die Erfindung vor, solche unterirdische Bergwerke, die erst künftig für eine Grubengasverwertung vorgesehen sind, von vornherein mit der Biogasgewinnung und einer gemeinsamen Verwertung zu kombinieren, um einen maximalen energetischen Effekt zu erzielen.

Selbstverständlich ist es gemäß der Erfindung auch möglich, in Bergwerken mit hohem Grubengasanfal1 und bereits vorgenommener Absaugung sowie Verwertung nachträglich eine Kombination mit der anaeroben alkalischen Schlammfaulung vorzunehmen.

Die Gasgewinnungsanläge, die aus einem stillgelegten unterirdischen Bergwerk mit vielen durch vorherigen Abbau verbliebenen verzweigten Hohlräumen, wie Stollen, Strecken und Strebe be- steht, nutzt als Faulraum mindestens zwei horizontal verlaufende Strecken und/oder Strebe ebenso wie Blindstollen. Diese werden an ein oder mehreren Stellen durch definierte und Gas ableitende Bohrungen derart miteinander verbunden, dass diese Gas ableitenden Bohrungen allesamt in einem am höchsten Punkt des Bergwerkes befindlichen GasSammelbehälter münden. Damit werden tote Zonen im Bergwerk ausgeschlossen. Der Durchmesser der anzufertigenden Bohrungen hängt vom Gasanfall ab. Bohrungen in Höhe der unteren Sohle sind im Durchmesser wesentlich kleiner als in der Nähe der Oberfläche. Andererseits sollen sie nicht durch eindringende Reststoffe verschlossen werden.

Da Blindstollen keine Verbindung zur Erdoberfläche aufweisen, sind diese als Gassammeischacht nutzbar, wofür sie mit einer nachträglichen Bohrung bis zur Gasverwertungsstation versehen werden. Blindstollen, die nicht für diese Nutzung vorgesehen sind, müssen ebenfalls eine Bohrung aufweisen, um sie in die Gasableitung einzubinden und die darin eintretenden methanhal- tigen Gase zur Gasverwertungsstation zu leiten.

Sind in einem Verbundbergwerk mit einem Hohlraumvolumen bis zu 10 Millionen Kubikmeter mehrere Bergwerke einbezogen, sind die Verbindungsstollen zu verschließen, um eine bessere Kontrolle der Gruben- und Biogasgewinnung zu erreichen. Erst nach vollständiger Verfüllung aller Hohlräume mit bioorganischen Reststoffen können dann weitere Bergwerke des Verbundbergwerkes in die erfindungsgemäße Lösung einbezogen werden.

Bei großen Bergwerken oder einem Verbundbergwerk ist zur Zwi- schenspeicherung des in höherer Menge anfallenden Gases die Anordnung eines Gasometers vorgesehen, in welchem das nicht sofort nach der Gasgewinnung verwertete Gas unter geringem Überdruck von 20 - 50 Millibar über Zuleitungen vom Gassammelbehälter im Bergwerk gefüllt wird. Des Weiteren können auch inaktive, bereits geflutete Bergwerke erfindungsgemäß genutzt werden, bei welchen das Flutungswasser aus den Hohlräumen noch ohne größere technische Schwierigkeiten entfernt werden kann.

Das im biologischem Prozess gewonnene und im Gassammelbehälter bzw. Gaszwischenspeieher befindliche Biogas kann entweder mit dem in möglicher Kombination mit der Grubengasgewinnung erhaltenen Methangas nach Entfernen des Kohlendioxids vermischt, direkt in Erdgasnetze eingespeist oder separat über Verbindungsleitungen zur Energieerzeugung in an sich bekannten Gasverwertungseinrichtungen, wie Blockheizkraftwerke und/oder Hochtemperatur-Brennstoffzellen zugeführt werden. Bei sehr hohem Gasanfall aus Verbundbergwerken kann Kohlendioxid auch im Druck- oder Membranverfahren vom Gasgemisch abgetrennt, verflüssigt und einer Verwertung zugeführt werden. Beispielsweise eignet sich Kohlendioxid als wirksames Feuerlöschmittel .

Neben der oben beschriebenen Herrichtung des stillgelegten Steinkohlenbergwerks sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur

Gewinnung von Biogas vor, die bioorganischen Reststoffe unzer- kleinert einzubringen. In einem als Faulraum dienenden Hohlraum nahe der unteren Sohle des stillgelegten Steinkohlenbergwerkes werden in einer Langzeitreaktion auch die unzerkleinerten organischen Stoffe in methanhaltiges Biogas umgesetzt.

Um die Biogasproduktion unverzüglich anzuregen, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, die organischen Abfallstoffe im Einfahrstadium mit Impfschlamm in Kontakt zu bringen. Günstig ist auch, die zugefügten bioorganischen Rest- Stoffe mit dem Faulschlamm im Bergwerk durch Einpressen von Erd- oder Biogas zu vermischen, damit die Methanbakterien aktiviert und schneller Biogas produzieren können. Die Vermischung mit Impfschlämm kann auch unterbleiben, wenn ein längerer Anlaufprozess in Kauf genommen wird. Aus der Praxis der Gruben- gasgewinnung ist bekannt, das anfallende Methangas vor der Verwertung abzusaugen. Bei einer Störung in der Anlage muss ein plötzlich erhöhter Gasanfall in einer Gasfackel verbrannt werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispie- les näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Anlage in schematischer Darstellung und

Fig. 2 einen Horizontalschnitt dieser Anlage, ebenfalls schematisch dargestellt. Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zur er- findungsgemäßen Nutzung ein stillgelegtes, noch nicht geflutetes Steinkohlenbergwerk mit einer Teufe von ca. 400 m, einem besonders hohen Grubengasanfall und einem Grubenvolumen von ca. einer Million Kubikmeter Inhalt verwendet. Das ausgewählte Bergwerk wurde während des Steinkohleabbaus als sehr gefährlich eingestuft, da aus den Flözen kontinuierlich Grubengase in das Abbaugebiet eingedrungen sind, die durch die Bewetterung entfernt werden mussten. Eine Nutzung dieser auch nach der Still- legung in schwindendem Anteil noch austretenden Grubengase ist für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehen und vollständig in die gesamte Gasgewinnung integriert. Da der Anfall des Grubengases im Bergwerk im Laufe der Jahre nachließ, wird die bisherige Grubengasverwertung mit der erfindungsgemäßen Lösung kombiniert, um eine Mischung aus Gruben- und Biogas zu gewinnen. Bisher gelangten die Grubengase unkontrolliert in die Atmosphäre und verursachten den bekannten Treibhauseffekt, der 20-mal höher ist als bei Kohlendioxid.

Trotz geringem Anteil von Grubenwässern werden zunächst alle möglichen Austrittsstellen vor dem Einbringen der bioorganischen Reststoffe abgedichtet.

Danach werden die Punkte in allen Schächten 11, 12, Stollen, Blindstollen 10, Strecken 6 und Strebe 7 festgelegt, die der Bio- und Grubengasableitung dienen sollen. Der Durchmesser der an den festgelegten Punkten zu den Hohlräumen führenden Bohrungen 8 für die Gasableitung beträgt ca. 20 cm. Zur Gasableitung können auch vorhandene Wetterbohrlöcher und Wetterschächte 11, 12 einbezogen werden.

Die Verbindungen zwischen den einzelnen Stollen, Schächten, Strecken 6 und/oder Strebe 7 werden so hergestellt, dass tote, nicht in die Gasableitung einbezogene Zonen im Bergwerk vermieden werden. Am Ende der im Bergwerk ungefähr horizontal verlaufenden Strecken 6 und Strebe 7 ist durch das ansteigende Gefälle der höchste Punkt für die Gasableitung gegeben. An diesen Punkten werden die vorgesehenen Bohrungen 8 zu einem höher gelegenen Hohlraum hergestellt, um die Gasableitung sicher zu stellen. In gleicher Weise wird verfahren, um alle Hohlräume bis zur GasSammelstelle 9 in Nähe der Erdoberfläche zu verbinden. Am oberen Punkt eines vertikal verlaufenden Blindstollens 10 wird eine Bohrung 8 zu einem nahe gelegenen Hohlraum hergestellt, um auch dort anfallende Gase abzuleiten. An der Ober- fläche des Bergwerkes werden alle anderen Öffnungen hermetisch abgeschlossen, die nicht für die Gasentnahme und für die Zuführung der bioorganischen Reststoffe vorgesehen sind. Das ausgewählte Bergwerk hat drei Wetterschächte 11, 12. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei Wetterschächte verschlossen 13 und im oberen Abschnitt wird je eine Verbindung zu einer nahe gelegenen Strecke oder einem anderen Hohlraum hergestellt. Der dritte Wetterschacht 12 wird als Gasableitung zur Gassammelstelle 9 ausgebaut und dient der kontinuierlichen Entnahme und Verwertung des angefallenen Bio- und Grubengases.

Die in das Bergwerk einzubringenden bioorganischen Reststoffe mit einer Masse von ca. 300 Tonnen/Tag, können sowohl aus Haushalten als auch aus landwirtschaftlichen, kommunalen oder forstwirtschaftlichen Industrie- und Gewerbebetrieben stammen. Beispielsweise kann es sich auch um kommunalen Abwasserschlamm, Gülle aus der Tierhaltung, Laub, Grasschnitt, Hecken- und Baumschnitt, überlagerte Lebensmittel und Abfälle aus Schlachthöfen, Molkereien und Brauereien handeln. Diese bioorganischen Reststoffe bilden ein ideales Gemisch zur Biogaserzeugung. Eine vorherige Zerkleinerung des organischen Materials ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, weil die im Bergwerk gegebenen Bedingungen unter den Langzeitreaktionen eine Verflüssigung der bioorganischen Reststoffe gewährleisten.

Für die Zufuhr der bioorganischen Reststoffe wird ein Misch- und Speicherbehälter 1 in den oberen 5 bis 10 m eines Vorhände- nen Tagesschachts eingebaut sowie eine Öffnung 2 in diesem Behälter angeordnet, gesteuert durch einen pneumatisch betriebenen Schieber zur Einfüllung der bioorganischen Reststoffe in das Bergwerk und zum Abschluss des TagesSchachts . Des Weiteren wird der Misch- und Speicherbehälter 1 mit einem Rührwerk 3 versehen. Der Behälter soll gleichzeitig der Isolierung in der kalten Jahreszeit dienen und wurde zu diesem Zweck mit einer Abdeckung 14 in ungefährer Höhe der Erdoberfläche 15 versehen. Nachdem alle Vorbereitungsarbeiten für die erfindungsgemäße Nutzung des Bergwerkes abgeschlossen sind, erfolgt die Anlieferung der bioorganischen Reststoffe durch LKW-Containerfahrzeuge und die Füllung des Misch- und Speicherbehälters 1 unter Beimischung von Impfschlamm aus einer kommunalen Faulanlage einer in Nähe liegenden Großstadt. Anschließend wird der Behälterinhalt mittels Rührwerk 3 durchmischt und danach durch Öffnen des Schiebers in das Bergwerk gebracht.

Der Impfschlamm wird während des Einfahrbetriebes mit einer Menge von ca. 100 Kubikmeter beigemischt. Dabei handelt es sich um behandelten Abwasserschlämm aus einem geschlossenen Faulturm einer kommunalen Kläranlage, der dazu dient, die Biogasproduktion im Faulraum anzuregen und zu beschleunigen.

Die Temperatur im für die Erfindung genutzten Bergwerk beträgt an der untersten Sohle 4 konstant 20 ⁰C, wodurch diese Sohle 4 unter Berücksichtigung der Selbsterwärmung der umzusetzenden Stoffe für das Verfahren zur Biogasgewinnung nutzbar ist. Die in die Hohlräume eingebrachten bioorganischen Reststoffe werden sowohl durch die unbegrenzt zur Verfügung stehende Erdwärme als auch durch die SeIbsterwärmung im Verlauf des anaeroben biolo- gischen Abbaus der organischen Substanzen ohne zusätzlichen Energiebedarf temperiert .

Im Verlaufe von etwa einem Monat reichert sich der Methangehalt des Gemischs aus Biogas und Grubengas auf 45 % an, so dass bereits nach dieser Zeit die energetische Verwertung des gewon- nenen Gases in einem Blockheizkraftwerk 5 ermöglicht ist. Bei den angegebenen Einfuhrmengen können in diesem Bergwerk zusätzlich zum Grubengas ca. 17 000 m3/Tag Biogas gewonnen werden, welches vermischt mit dem Grubengas aus dem Bergwerk abgesaugt und in dem bereits angeschlossenen Blockheizkraftwerk 5 in Elektroenergie umgewandelt wird. Infolge des höheren Gasanfalls wird das angeschlossene Blockheizkraftwerk 5 mit vier weiteren Modulen mit einer Leistung zwischen 400 und 500 kW je Motor versehen.

Für dieses Beispiel sind nachstehend sowohl die vermiedenen Wärmeverluste als auch die der Umwelt ferngehaltenen Kohlendioxidmengen im Vergleich zu bekannten Verfahren in geschlossenen beheizten Faulräumen, berechnet. Bekanntermaßen beträgt der Wärmebedarf für die Schlammfaulung von 300 t Biomasse pro Tag inklusive der Wärmeverluste

300000_%»4,2_fc//_%/°C*3S°C , _{n250kmld ,} 3600 kJ I kWh

Bei einem Methangehalt des Biogases von 65 % entsprechen 12 250 kWh pro Tag etwa 5 952 m³ Biogas pro Tag, die nach der erfindungsgemäßen Lösung eingespart werden. Das Treibhausgas Kohlendioxid in einer Menge von ca. 4117 kg pro Tag, was ca. 1503 t pro Jahr entspricht, gelangt durch die Nutzung der Erd- wärme nicht in die Atmosphäre.

Werden weltweit nur 100 Bergwerke nach der Erfindung umgerüstet und als Faulanlagen betrieben, beträgt die Vermeidung der Kohlendioxidbelastung über 150 000 t pro Jahr.

Verfahren und Anlage zur Gewinnung von Biogas aus bioorganischen Reststoffen

Bezugszeichenliste

1 Misch- und Speicherbehälter

2 Öffnung

3 Rührwerk

4 Sohle

5 Blockheizkraftwerk

6 Strecke

7 Streb

8 Bohrung

9 GasSammelstelle

10 Blindstollen

11 erster und zweiter Wetterschacht

12 dritter Wetterschacht

13 verschlossener Wetterschacht

14 Abdeckung

15 Erdoberfläche

Claims

Verfahren und Anlage zur Gewinnung von Biogas aus bioorganischen ReststoffenPatentansprüche

1. Anlage zur Gewinnung von Biogas aus verschiedenen organischen Abfallstoffen aus Haushalten, Betrieben der Land- und Forstwirtschaft sowie Industrie- und Gewerbebetrieben (bioorganische Reststoffe) mittels anaerober alkalischer Schlammfaulung durch diverse Stämme von Methanbakterien mit einem Faulraum und einer Zuleitung für die bioorganischen Reststoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulraum aus zumindest zwei unterirdischen, durch vorherigen Abbau verbliebenen, ungefähr horizontal verlaufenden Hohlräumen eines stillgelegten Steinkohlenbergwerks besteht und alle Hohlräume des Bergwerkes an einer oder mehreren Stellen durch definierte Gas ableitende Bohrungen (8) derart miteinander verbunden sind, dass diese Bohrungen (8) allesamt in einem am höchsten Punkt des Bergwerkes befind- liehen Gassammelbehälter münden.

2. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (8) einen Durchmesser von ca. 20 cm aufweisen.

3. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gassammelbehälter Absaugeinrichtungen und Verbindungsleitungen zugeordnet sind, um das Gas angeschlossenen Verwertungseinrich- tungen zur Energieerzeugung zuzuführen.

4. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zuführung der bioorganischen Reststoffe ein Tagesschacht des stillgelegten Steinkohlenbergwerks vorgesehen ist.

5. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen 5-10 m des TagesSchachtes als Misch- und Speicherbehälter (1) für die Aufnahme der bioorganischen Reststoffe abgeteilt sind, welcher mit einem Rührwerk (3), einer Abdeckung 14) zur Wärmeisolierung sowie im unteren Teil mit einen pneumatisch gesteuerten Schieber zur diskontinuierlichen Öffnung (2) und Einleitung der bioorganischen Reststoffe versehen ist.

6. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas- Sammelbehälter über Zuleitungen mit einem Gasometer zur Zwischenspeicherung des in höherer Menge angefallenen und nicht sofort verwerteten Gases verbunden ist.

7. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Faulraum nur aufgrund der Erdwärme und der Selbsterwärmung durch den Faulungsprozess eine Temperatur im Bereich von 5⁰C bis 70⁰C herrscht.

8. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle nicht für die Gasentnahme und für die Zuführung der bioorganischen Reststoffe vorgesehenen Schächte und Stollen an der Oberfläche hermetisch abgeschlossen und abgedichtet sind.

9. Anlage zur Gewinnung von Biogas nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der bioor- ganischen Reststoffe in das Bergwerk der Faulraum mit einem Gemisch aus Luft und zumindest einem der Bestandteile Erdgas, Biogas und Propan-Butan-Gemisch bei Normaldruck beaufschlagt ist.

10. Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus bioorganischen Rest- Stoffen bei dem in mindestens einen natürlich vorhandenen

Faulraum verschiedene organische Abfallstoffe, beispielsweise aus Haushalten, Betrieben der Land- und Forstwirtschaft sowie Industrie- und Gewerbebetrieben eingebracht und nach dem Prinzip der anaeroben alkalischen Schlammfau- lung mittels diverser Stämme von Methanbakterien in methan- haltiges Biogas umgesetzt werden, dadurch qekenn- z e i chn et, dass die bioorganischen Reststoffe in großer Menge und unzerkleinert in zumindest zwei unterirdische, aus vorherigem Bergbau verbliebene Hohlräume eines stillgelegten Steinkohlenbergwerkes, welche als Faulraum dienen, eingebracht werden, welche untereinander durch Bohrungen (8) verbunden werden und dass die Schlammfaulung über Langzeitreaktionen bei einem natürlich vorhandenen Temperaturniveau zwischen 5 ⁰C und 70 ⁰C erfolgt.

11. Verfahren zur Gewinnung von Biogas nach Anspruch 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Hohlräumen an ein oder mehreren Stellen durch definierte Gas ableitende Bohrungen derart miteinander verbunden werden, dass diese Bohrungen (8) allesamt in einem am höchsten Punkt des Bergwerkes befindlichen Gassammelbehälter münden.

12. Verfahren zur Gewinnung von Biogas nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Gassammelbehälter aus das Biogas mittels Absaugeinrichtungen und Verbindungsleitungen den je nach Bedarf angeschlossenen Verwertungseinrichtungen zur Energieerzeugung zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die bioorganischen Reststoffe in ein bereits für die Grubengasgewinnung und -Verwertung umgerüstetes Steinkohlenbergwerk über mindestens eine Bohrung (8) in Richtung unterster Sohle (4) in Hohlräume ein- gebracht werden und das hier gewonnene Biogas mit noch entstehendem Grubengas vermischt und für eine nachfolgende Verwertung abgesaugt wird.

14. Verfahren nach einem Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Lebens- und Reakti- onsbedingungen der Methanbakterien im Faulraum erforderlichen Temperaturen durch die im Bergwerk vorhandene Erdwärme in Verbindung mit der Selbsterwärmung durch den anaeroben biologischen Abbau der organischen Substanzen im Bereich zwischen 5 ⁰C und 70 ⁰C eingehalten werden und die Umset- zung der bioorganischen Reststoffe im cryophilen, mesophi- len und/oder thermophilen Temperaturbereich sowie in den Zwischenbereichen, zum Beispiel in der milden Zone, er- folgt .

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die bioorganischen Reststoffe im EinfahrStadium mit Impfschlamm versetzt und danach die derart geimpften bioorganischen Reststoffe mit im Faulraum bereits vorhandenem Faulschlamm durch Einspressen von Erd- und/oder Biogas vermischt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der bioor- ganischen Reststoffe in das Bergwerk alle nicht für die Gasentnahme und für die Zuführung der bioorganischen Reststoffe vorgesehenen Schächte und Stollen an der Oberfläche hermetisch abgeschlossen und abgedichtet werden, anschließend durch Absaugen der vorhandenen Luft ein Unterdruck hergestellt und unmittelbar danach Erdgas, Biogas und/oder Propan-Butan-Gemisch bis zum Druckausgleich eingeleitet wird.