WO2014094734A2

WO2014094734A2 - Energieumwandlungssystem

Info

Publication number: WO2014094734A2
Application number: PCT/DE2013/100414
Authority: WO
Inventors: Ulrich Schmack; Doris Schmack; Monika Reuter; Hans Winter; Martina Beissinger
Original assignee: MicrobEnergy GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-06-26
Also published as: DE102012112889A1; EP2935558A2; WO2014094734A3

Abstract

Beschrieben wird ein Energieumwandlungssystem mit einer Elektrolyseeinheit (4) zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, einem Anschluss an das öffentliche Stromnetz (1) zur Versorgung der Elektrolyseeinheit (4) mit elektrischer Energie, einem anaeroben Bioreaktor (6) einer Kläranlage, wobei der Bioreaktor (6) eine Abführvorrichtung (9) für die Entnahme eines im Bioreaktor entstehenden methanhaltigen Gases aufweist, einer Zufuhrvorrichtung (5) für die Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage, einer Steuer- und Regelungseinheit (11) zur Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage und zur Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor (6) entstehenden methanhaltigen Gases und einer Vorrichtung zur Verwertung (18) und/oder Speicherung (24) des aus dem Bioreaktor entnommenen methanhaltigen Gases.

Description

Energieumwandlungssystem

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Energieumwandlungssystem.

Stand der Technik

Der Einsatz erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung gewinnt aktuell immer mehr an Bedeutung. Insbesondere die Energiewende weg von fossilen Energieträgern und Kernenergie hin zu regenerativen Energiequellen fordert einen verstärkten Einsatz von erneuerbaren Energiequellen zur Stromerzeugung wie beispielsweise Windkraft, Solarenergie, Wasserkraft oder Geothermie. Insbesondere im Fall von Windkraft und Solarenergie kommt es zu ausgeprägten witterungsbedingten sowie tages- und jahreszeitlich bedingten Schwankungen bei der Stromerzeugung. Dies führt mittlerweile dazu, dass bei starkem Windaufkommen Windkraftanlagen abgeschaltet werden müssen, um eine Überlastung der Stromnetze zu verhindern. Ähnliches gilt für die Stromüberproduktion aus Photovoltaik in Zeiten mit starker Sonneneinstrahlung und gleichzeitiger Nachfragelücke. Es wird also wertvolle Kapazität aus erneuerbaren Energiequellen nicht genutzt. Auf der Stromangebotsseite könnte billiger Überschussstrom in den Zeiten zur Verfügung gestellt werden, in denen ein Überangebot an Strom in Verbindung mit einer nicht ausreichenden Nachfrage bei den Stromverbrauchern vorhanden ist.

Auf der Stromnachfrageseite kommt es ebenfalls zu starken Schwankungen. Beispielsweise fällt bei der Stromnachfrage eine Spitzenlast vor allem um die Vormittags- und Mittagszeit an. Auch in Kälte- oder extremen Hitzeperioden steigt die Strom nachfrage stark an. Strom, der au ßerhalb dieser Nachfragepeaks produziert wird, kann zu günstigeren Preisen erworben werden („Peak-off-Strom).

Die mit dem zunehmenden Ausbau der erneuerbaren Energien gestiegenen speziellen Anforderungen an ein flexibles Stromsystem haben einen Regelenergiemarkt entstehen lassen. Es wird zwar seitens der Netz- und Kraftwerksbetreiber versucht, den tatsächlichen Stromverbrauch sowie die zu erwartende Stromproduktion, insbesondere aus erneuerbaren Quellen, zu prognostizieren, jedoch beobachtet man in der Realität Abweichungen von dieser Prognose. Weicht die Stromlast nach oben von der Prognose ab, muss positive Regelenergie bereitgestellt werden, also zusätzlich Strom von den Kraftwerksbetreibern zur Verfügung gestellt werden. Bei Abweichungen der Stromlast nach unten, also einem geringeren Stromverbrauch als erwartet, muss negative Regelenergie bereitgestellt werden, also Strom von den Kraftwerksbetreibern aus dem Netz abgenommen werden. Dies führte zum Entstehen eines Regelenergiemarktes für Strom.

Da sowohl die Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen wie auch der nachfrageabhängige Stromverbrauch stark schwanken, die Stromenergie im Stromnetz kaum gespeichert werden kann, jedoch jederzeit ein entsprechendes Stromangebot vorhanden sein muss, um die Netzstabilität zu gewährleisten, besteht ein starkes Bedürfnis das Ungleichgewicht von fluktuierender Stromerzeugung durch regenerative Energien und der nicht korrelierenden, ebenfalls stark schwankenden Stromnachfrage auf Seiten der Verbraucher zu verbessern.

Ein Lösungsansatz zu dieser Problematik besteht darin, die elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen in chemische Energie wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan umzuwandeln und dann entweder direkt zu verwenden oder zwischenzuspeichern und anschließend wieder in elektrische Energie zurückzuwandeln. Diese Art einer Systemlösung wird „Power to Gas" Verfahren genannt, da elektrische Energie in eine besser speicherbare chemische Form der Energie, nämlich Wasserstoff- oder Methangas, umgewandelt wird. Als besonders geeigneter chemischer Energieträger mit hoher Energiedichte bietet sich aufgrund der fast vollständigen Kompatibilität zu Erdgas und der insbesondere in Deutschland vorhandenen Verteil- und Speicherinfrastruktur Methan an. Die Bildung von regenerativem Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid erfolgt technisch derzeit in erster Linie durch ein physikalisch-technisches Verfahren (Sabatier Prozess). Alternativ kann die Methanbildung durch die biologische Umsetzung von H₂ und C0₂ mit Hilfe von Kulturen von Methan bildenden Bakterien in Form einer biologischen Methanisierung erfolgen. Diese hat allerdings in der praktischen Anwendung bisher kaum Bedeutung.

Aus der DE 10 2007 037 672 A1 ist ein Verfahren zur nachhaltigen Energieversorgung mit einem Kohlenstoffkreislauf unter Einsatz von regenerativ erzeugtem Wasserstoff bekannt. Regenerativer Wasserstoff wird mit Hilfe von Elektrolyse unter Einsatz von Windstrom oder Solarstrom erzeugt. Dieser regenerative Wasserstoff wird zusammen mit Kohlendioxid, das aus Kraftwerksabgasen stammt, in einem modifizierten Fischer-Tropsch-Verfahren in einer Hydrieranlage in flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe umgewandelt, die entweder in Kraftwerken verbrannt und verströmt oder als Kraftstoffe für Fahrzeuge eingesetzt werden.

In der WO 2010/1 15938 A1 ist ein Energieversorgungssystem gezeigt, das regenerativ erzeugten Strom aus Wind- oder Sonnenenergie teilweise über Elektrolyse in Wasserstoff umwandelt, der dann zusammen mit Kohlendioxid in einer Methanisierungsstufe zu Methan umgesetzt wird. Das Kohlendioxid stammt entweder aus Kraftwerksabgasen, aus der Luft oder auch aus Biomasse. So kann abgetrenntes C0₂ aus einer Biogasanlage oder C0₂-haltiges Synthesegas aus der Biomassevergasung verwendet werden. Das nach physikalisch technischen Verfahren unter Einsatz von Katalysatoren synthetisch erzeugte methanhaltige Gas wird über eine Gasbereitstellungseinrichtung in Form eines Zusatz- oder Austauschgases in ein Gasversorgungsnetz eingespeist. Die US 4,883,753 beschreibt eine Methanproduktion mit hoher Ausbeute in einem kontinuierlichen Kultursystem als Bioreaktor, in dem thermophile Methanbakterien der Art Methanobacterium thermoautotrophicum eingesetzt werden. Eine hohe Methanausbeute wird dadurch erreicht, dass ein hoher Gaseintrag an H₂ und C0₂ verwendet wird, wobei die Gasübertrittrate durch sehr hohe Rührgeschwindigkeiten im Fermenter unterstützt wird.

Die WO 2008/094282 A1 beschreibt ein biologisches System zur Methanproduktion aus Wasserstoff und Kohlendioxid unter Verwendung einer Bakterienkultur, die mindestens eine Art von methanogenen Bakterien enthält. Das Kohlendioxid kommt dabei aus einem industriellen Prozess, während der Wasserstoff u.a. durch Elektrolyse unter Einsatz von billigem Überschussstrom gewonnen werden kann. Höhere Methanausbeuten werden durch erhöhte Temperatur, hohe Rührgeschwindigkeiten, einen hohen Gaseintrag oder spezielle Reaktortypen wie geschichtete oder kaskadierende Reaktoren erreicht.

Die WO 201 1/000084 A1 offenbart ebenfalls ein System zur Produktion eines methanreichen Gases, bei dem die Elektrolyse von Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff direkt in einem Bioreaktor durchgeführt wird, der elektrochemisch aktive anaerobe Mikroorganismen enthält. Anode und Kathode sind hierbei nicht durch eine Membran getrennt, so dass auch der Sauerstoff aus der Elektrolyse in das System eingetragen wird. Die WO 2012/1 10252 A1 offenbart ein System zur Speicherung von elektrischer Energie in Form von Methan, welches Strom aus erneuerbaren und nicht erneuerbaren Energien zur Wasserstoffproduktion verwendet. Der Wasserstoff wird zusammen mit Kohlendioxid in einen Reaktor eingeleitet, der methanogene Mikroorganismen enthält, die dann Methan produzieren.

Die US 3,383,309 beschreibt ein Verfahren zum verbesserten Klärschlammabbau. Insbesondere fettsäurehaltige organische Abfälle werden besser abgebaut, wenn ein Teil des entstehenden methanhaltigen Faulgases durch Gasreformierung in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt und anschließend das auf diese Weise gebildete wasserstoffhaltige Gas in den anaeroben Fermenter zur Faulgasbildung rezirkuliert wird.

Trotz dieser Lösungsansätze ist es bisher nicht geglückt, die Problematik des Ungleichgewichts von fluktuierender Stromerzeugung durch regenerative Energien und stark schwankender Strom nachfrage in der Praxis zu lösen. Es besteht daher Bedarf an Energieumwandlungsanlagen, die es erlauben, überschüssigen Strom, der nicht ins Netz eingespeist werden kann, in einen chemischen Energieträger umzuwandeln, der potentiell zwischengespeichert werden kann und diesen anschließend entweder anderweitig als Energiequelle zu nutzen oder gegebenenfalls rückzuverstromen und zu einem anderen Zeitpunkt wieder ins Stromnetz einzuspeisen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Energieumwandlungssystem bereitzustellen, das es erlaubt, überschüssigen Strom, der nicht ins Netz eingespeist werden kann, in einen chemischen Energieträger umzuwandeln, der zwischengespeichert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Energieumwandlungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen.

Im Rahmen des vorliegenden Textes werden die Ausdrücke „im Bioreaktor entstehendes methanhaltiges Gas",„Biomethan" und„Biogas" synonym verwendet. Ebenso werden die Bezeichnungen „Elektrolyseur", Elektrolyseeinheit", „Elektrolysevorrichtung" und „Elektrolysesystem" synonym verwendet. Schließlich wird der „Faulturm einer Kläranlage" auch als „anaerober Bioreaktor einer Kläranlage", „Bioreaktor einer Kläranlage", „Fermenter" oder „Fermenter der Kläranlage" bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Energieumwandlungssystem zur Verfügung. Das Energieumwandlungssystem umfasst eine Elektrolyseeinheit zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, einen Anschluss an das öffentliche Stromnetz zur Versorgung der Elektrolyseeinheit mit elektrischer Energie, einen anaeroben Bioreaktor einer Kläranlage, wobei der Bioreaktor eine Abführvorrichtung für die Entnahme eines im Bioreaktor entstehenden methanhaltigen Gases aufweist, eine Zufuhrvorrichtung für die Zufuhr von in der Elektrolyseeinheit elektrochemisch erzeugten Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor der Kläranlage, eine Steuer- und Regelungseinheit zur Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor der Kläranlage und zur Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor entstehenden methanhaltigen Gases und eine Vorrichtung zur Verwertung und/oder Speicherung des aus dem Bioreaktor entnommenen methanhaltigen Gases.

Das erfindungsgemäße Energieumwandlungssystem kann ein oder mehrere Steuerungs- und Regelungseinheiten umfassen. Die Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff und die Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor der Kläranlage entstehenden methanhaltigen Gases kann also von einer einzigen Steuerungs- und Regelungseinheit durchgeführt werden oder aber von zwei getrennten Steuerungs- und Regelungseinheiten.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Umwandlung von Energie mit den Schritten

- Entnahme von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz zur Versorgung einer Elektrolyseeinheit mit elektrischer Energie,

elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser in der Elektrolyseeinheit,

- Zufuhr des in der Elektrolyseeinheit erzeugten Wasserstoffs in den anaeroben Bioreaktor einer Kläranlage,

Umsetzung zumindest eines Teils des in der Elektrolyseeinheit erzeugten Wasserstoffs in dem anaeroben Bioreaktor zu einem methanhaltigen Gas, Entnahme zumindest eines Teils des in dem Bioreaktor entstehenden methanhaltigen Gases durch eine an dem Bioreaktor vorgesehene Abführvorrichtung,

Zufuhr des aus dem Bioreaktor entnommenen methanhaltigen Gases in eine Vorrichtung zur Verwertung und/oder Speicherung des aus dem Bioreaktor entnommenen methanhaltigen Gases, - Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor der Kläranlage durch eine Steuer- und Regelungseinheit,

Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor entstehenden methanhaltigen Gases durch eine Steuer- und Regelungseinheit.

Analog zu dem erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystem können im erfindungsgemäßen Verfahren ein oder mehrere Steuerungs- und Regelungseinheiten eingesetzt werden. Die Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff und die Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor der Kläranlage entstehenden methanhaltigen Gases kann also von einer einzigen Steuerungs- und Regelungseinheit durchgeführt werden oder aber von zwei getrennten Steuerungs- und Regelungseinheiten.

Das Energieumwandlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf einer speziellen Ausgestaltung der „Power to Gas" Technologie. Das Energieumwandlungssystem weist bevorzugt folgende Komponenten auf:

- eine Stromquelle für diskontinuierlich anfallenden günstigen Strom,

- eine Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser,

- gegebenenfalls eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung des elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs,

- einen anaeroben Bioreaktor einer Kläranlage zur Herstellung von methanhaltigem Gas mit einem Auslass für das im Bioreaktor entstehende biomethanhaltige Gas,

- eine Zufuhrvorrichtung für die Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben

Bioreaktor der Kläranlage,

- gegebenenfalls eine Rückfuhrvorrichtung für die Rückfuhr von Kohlendioxid in den Bioreaktor einer Kläranlage,

- gegebenenfalls eine Verteileinrichtung zur Feinverteilung von H₂, - eine Einrichtung zur Verwertung und/oder Speicherung des im Bioreaktor entstehenden biomethanhaltigen Gases,

- eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung zur Steuerung und Regelung der Gaszuflüsse in den Reaktor sowie des Gasflusses aus dem Reaktor. Das erfindungsgemäße Energieumwandlungssystem kann die wegen Schwankungen in der Stromproduktion sowie der Stromnachfrage beim vermehrten Einsatz von erneuerbaren Energien nicht genutzten Stromüberkapazitäten zu Zeiten, in denen billiger Überschussstrom auf dem Markt vorhanden ist, effizient nutzen, um methanreiches Gas aus Wasserstoff und Kohlendioxid zu bilden, welches dann als chemischer Energieträger oder Zwischenspeicher dient. Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg auf, aus auf dem Strommarkt zu bestimmten Zeiten vorhandenem günstigen Strom über die Zwischenstufe einer Umwandlung in Wasserstoff anschließend in dem anaeroben Bioreaktor einer Kläranlage unter Einsatz der dort bereits vorhandenen Mikroorganismen zusätzliches Methan zu bilden, um so eine Nutzung von fluktuierend anfallendem Überschussstrom zu erreichen und sogar negative Regelenergie abzunehmen. Bei dem erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystem, das nach dem„Power to Gas" Ansatz arbeitet, ist die Erzeugung von zusätzlichem Methan auf dem Weg einer biologischen Methanisierung direkt in eine Kläranlage bzw. Abwasserreinigungsanlage integriert. Ein derartiges System bringt gegenüber dem Stand der Technik verschiedene Vorteile mit sich. Die vorhandene Infrastruktur einer Kläranlage kann weitgehend genutzt werden, so dass anlagentechnisch nur einige Zusatzvorrichtungen wie der Elektrolyseur oder die Wasserstoffeinbringung ergänzt werden müssen. Im Gegensatz zu vielen Systemen aus dem Stand der Technik, die neben dem Wasserstoff auch noch eine Kohlendioxidquelle für die biologische Methanisierung zur Verfügung stellen müssen, steht in dem unter herkömmlichen Bedingungen entstehenden Faulgas bereits genügend Rest-C0₂ (etwa 20 bis 45 % des Faulgasvolumens) zur Verfügung, das für die Bildung von zusätzlichem Methan genutzt werden kann. Das Kohlendioxid für die biologische Methanisierung kommt also im Gegensatz zu den physikalisch technischen katalytischen Verfahren, aber auch zu biologischen Verfahren, die mit Kulturen von hydrogenotrophen methanogenen Bakterien arbeiten, direkt aus dem Energieumwandlungssystem selbst und muss nicht extern zugeführt werden. Der Anteil des im Faulgas enthaltenen Methans wird auf diese Weise erhöht und der Anteil an C0₂ entsprechend verringert. Eine Umsetzung von Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan und Wasser erfolgt nach folgender Reaktionsgleichung: C0₂ (g) + 4 H₂ (g) ^ CH₄ (g) + 2 H₂0 (g) A_RH° = -165 kJ/mol (Gl. 1 )

Stöchimetrisch wird aus 4 Mol gasförmigem H₂ 1 Mol CH₄ gebildet, so dass unter Standardbedingungen 4 mal so viel Wasserstoff ins System eingebracht werden sollte wie Kohlendioxid zu Methan umgesetzt werden soll.

Da sowohl öffentliche als auch private Kläranlagenbetreiber in aller Regel nicht nur für die Abwasseraufbereitung zuständig sind, sondern das entstehende methanhaltige Gas sowie den zurückbleibenden Gärrest weiterverwerten, sind meist auch Vorrichtungen zur Gasverwertung und/oder Gasaufbereitung bereits vorhanden. Gegenüber Biogasanlagen, die ebenfalls anaerobe Bioreaktoren besitzen, die zur Methanbildung geeignet sind und die ebenfalls im entstehenden Biogas einen Anteil an Rest-C0₂ aufweisen, der zusammen mit Wasserstoff prinzipiell für eine biologische Methanisierung geeignet ist, unterliegen Kläranlagen nicht dem deutschen EEG (erneuerbare Energien Gesetz) - bzw. gegebenenfalls daran angelehnten ähnlichen Bestimmungen in anderen Ländern -, so dass die Zufuhr von Wasserstoff kein „unerlaubtes Gärsubstrat" darstellt, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei Anwendung in Biogasanlagen negativ beeinflusst. Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu anderen im Stand der Technik bekannten Verfahren ist also auch, dass die Wirtschaftlichkeit erhöht wird, weil in nicht unerheblichem Maße schon vorhandene Infrastruktur und Technik benutzt werden kann. Inwieweit das erfindungsgemäße Verfahren in der Realität ökonomisch rentabel ist, hängt von diversen Randbedingungen ab, die sich jedoch im Rahmen der aktuellen Umgestaltung des kompletten Energieversorgungssystems derzeit rasant ändern, so dass zukünftig eine rentable Umsetzung möglich erscheint, selbst wenn im Moment noch keine wirtschaftliche Umsetzung darstellbar sein sollte. Randbedingungen sind insbesondere Strompreise und Verfügbarkeit von billigem Überschussstrom, die Differenz der Strompreise aus Strom aus erneuerbaren Quellen gegenüber konventionellen Stromquellen, der Preis für Erdgas sowie die Preise und die technische Entwicklung bei Elektrolysesystemen. In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise für den Betrieb eines Elektrolyseurs, der den Wasserstoff zur Einbringung in den anaeroben Reaktor der Kläranlage produziert, ausschließlich Strom verwendet, der zu einem günstigeren Preis als dem aktuellen Strommarktpreis bezogen werden kann. Geeignet dafür ist Strom, der auf dem Markt als Überschussstrom produziert wird, wenn insbesondere aus den erneuerbaren Energiequellen Windstrom oder Solarstrom wegen Überlastung des Stromnetzes nicht ins Netz eingespeist werden kann. Die fluktuierenden Stromquellen müssten alternativ abgeregelt werden, so dass der Überschussstrom verloren ginge. Als weitere Stromquelle ist die Bereitstellung von negativer Regelenergie durch den Kläranlagenbetreiber geeignet. Eine negative Regelleistung wird notwendig, wenn die Stromlast, also die Stromnachfrage im Stromnetz, geringer ist als von den Netzbetreibern prognostiziert wurde, so dass die Gefahr einer Instabilität des Stromnetzes besteht. Um am Regelenergiemarkt teilnehmen zu können, muss der Teilnehmer eine bestimmte Leistung vorhalten (derzeit 5 MW), mit der er Strom aus dem Netz abnehmen kann. Da sich die Teilnehmer am Regelenergiemarkt zusammenschließen können, muss der einzelne Teilnehmer nicht zwangsläufig eine Leistungsabnahme von 5 MW garantieren. Vom Übertragungsnetzbetreiber werden beispielsweise für den Markt der sekundären Regelenergie viertelstündlich Stromdaten zur Verfügung gestellt. Die Bereitstellung von negativer Regelleistung mit einer Aktivierungszeit von höchstens 5 Minuten (Sekundärregelung) wird dem Stromabnehmer über den Leistungspreis entsprechend vergütet. Da der Arbeitspreis für den tatsächlich abgerufenen Strom sehr niedrig ist oder gar nichts kostet, gegebenenfalls sogar extra vergütet wird, ergibt sich hier ebenfalls eine Quelle für günstigen Strom, für den im Stromnetz ansonsten keine Nachfrage besteht.

Neben den genannten Beispielen ist für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren jeder Strom geeignet, der zum jeweiligen Zeitpunkt im Stromnetz nicht nachgefragt wird und sich deshalb für die Speicherung in einem „Power to Gas"-Verfahren eignet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein solcher Strom dann verfügbar, wenn im öffentlichen Stromnetz eine Strom Überkapazität gegeben ist. Um den günstigen Strom für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung zu stellen, muss das Energieumwandlungssystem einen Anschluss an das Stromnetz besitzen und vorteilhafterweise über einen Netzregler verfügen, der entsprechend Strom aus dem Netz zu Zeiten abzweigt, in denen günstiger Strom, insbesondere Überschussstrom aus erneuerbaren Energiequellen oder aus der Notwendigkeit zur negativen Regelleistung, zur Verfügung steht.

Zur Erzeugung von Wasserstoff, der erfindungsgemäß für die Einleitung in den anaeroben Reaktor der Kläranlage benötigt wird, um damit die biologische Methanisierung zu betreiben, weist das Energieumwandlungssystem einen Elektrolyseur auf, welcher kein Bestandteil einer herkömmlichen Kläranlage ist. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Elektrolysesysteme bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können insbesondere Elektrolyseure zum Einsatz kommen, die nach dem Prinzip der alkalischen Elektrolyse oder mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM Elektrolyse) arbeiten. Da der Strom für die Elektrolyse diskontinuierlich zur Verfügung steht, sind insbesondere Elektrolyseure geeignet, die kurze Ansprechzeiten für die Wasserstoff Produktion und gegebenenfalls geringe Kosten im Standby-Betrieb aufweisen. Geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren sind Elektrolyseure, bei denen der produzierte Wasserstoff unter Druck anfällt, da dies die sich direkt anschließende Einbringung des Wasserstoffs in den anaeroben Bioreaktor positiv beeinflusst. Bevorzugt sind Systeme, die mit einem Druck von 0 bis 30 bar arbeiten. Die Dimensionierung des Elektrolysesystems richtet sich nach der Größe des vorhandenen anaeroben Bioreaktors der Kläranlage. Das methanhaltige Klärgas aus dem Faulturm der Kläranlage besteht zu etwa 20 bis 45 % aus Kohlendioxid, welches sich mit dem elektrolytisch produzierten Wasserstoff im Faulturm durch biologische Methanisierung zu Biomethan umwandeln lässt. Die maximal notwendige Rate an Wasserstoffproduktion (m³/h^~1) errechnet sich aus der Klärgasproduktion (m³/h^~1) multipliziert mit dem Anteil an Kohlendioxid im Klärgas und einem Faktor 4 für die Reaktionsgleichung der Umsetzung von H₂ und C0₂ zu CH₄ (GI. 1 ). Abhängig von der Erwartung an das Angebot an günstigem Strom kann die Elektrolyseleistung entsprechend geringer gewählt werden. Da gängige Elektrolysesysteme mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 - 80 % arbeiten, kann die anfallende Abwärme während des Elektrolysebetriebs genutzt werden, indem sie dem anaeroben Bioreaktor der Kläranlage beispielsweise über einen Wärmetauscher zur Heizung des Faulschlamms zugeführt wird. Der bei der Wasserelektrolyse anfallende Sauerstoff kann genutzt werden, um bei der Verwertung des biomethanhaltigen Gases für eine verbesserte Verbrennung des Gases in einem BHKW oder anderem Gasbrenner, zu sorgen, oder der Sauerstoff wird in die Atmosphäre freigesetzt. Die Anforderungen an die Qualität des erzeugten Wasserstoffs sind in dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich geringer als beispielsweise bei der Wasserstofferzeugung für eine katalytische Methanisierung zur Herstellung von synthetischem Methan oder für den Einsatz in Brennstoffzellen, aber auch für die Methanproduktion mit Kultursystemen von methanogenen Mikroorganismen, so dass hier günstigere Elektrolysesysteme zum Einsatz kommen können. Der erzeugte Wasserstoff für die biologische Methanisierung in einem Faulturm kann sowohl Feuchtigkeit als auch geringe Mengen an Sauerstoff, beispielsweise weniger als 2 %, oder anderen Spurengasen enthalten. Im Gegensatz zu im Stand der Technik beschriebenen Verfahren enthält der hier zugeführte Wasserstoff kein Kohlenmonoxid, welches die Methansynthese durch die methanogenen Mikroorganismen inhibieren würde.

Das Energieversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist optional einen Zwischenspeicher für den elektrolytisch erzeugten Wasserstoff auf. Die Dimensionierung des Elektrolysesystems sollte so gewählt werden, dass nicht mehr H₂ produziert wird als in dem Faulturm mit dem vorhandenen Rest-C0₂ durch die Mikroorganismen zu Biomethan umgesetzt werden kann. Ist jedoch beispielsweise im Stromnetz deutlich mehr günstiger Strom vorhanden als erwartet, kann es günstig sein, Wasserstoff für die Zeiten zwischenzuspeichern, in denen dieser Strom nicht zur Verfügung steht. Findet die Verwertung des produzierten methanhaltigen Biogases in Form einer Gaseinspeisung ins Gasnetz statt, so darf dieses nur einen kleinen Anteil an H₂ enthalten, derzeit etwa 5 %. In diesem Szenario kann es ebenfalls günstig sein, zusätzlich produzierten Wasserstoff vor Ort zwischenzuspeichern. Als Wasserstoffzwischenspeicher eignen sich gängige Systeme aus dem Stand der Technik wie Druckgasflaschen, Flüssiggasspeicher oder Metallhydridspeicher.

Zentraler Bestandteil des erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystems ist ein anaerober Bioreaktor einer Kläranlage zur Herstellung von methanhaltigem Gas bzw. ein Faulturm. Faultürme von Kläranlagen sind in der Regel eiförmige Behälter mit Abmessungen bis zu 50 m Höhe und einem Volumen von mehreren Tausend m³. Mit dem Faulturm verbundene Vorrichtungen sind eine Faulschlammzuleitung mit entsprechender Pumpe, eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Faulschlamms, gegebenenfalls eine Rezirkulations- oder Ringleitung zum Umwälzen des Faulschlamms, eine Abfuhrleitung für ausgefaulten Schlamm, ein Schwimmschlammabzug sowie ein Schaumzerstörer im oberen Teil des Faulturmes. Faultürme besitzen eine Vorrichtung zur Abführung des erzeugten methanhaltigen Faulgases. Im Rahmen der Abwasserauf bereitung werden Faultürme mit Faulschlamm gefüllt, der sich aus dem Primärschlamm bzw. Vorklärschlamm, der aus dem Vorklärbecken stammt und dem Überschussschlamm, der aus dem aeroben Belebtschlammbecken bzw. dem Nachklärbecken stammt, zusammensetzt. Diese Mischung aus Überschussschlamm und Primärschlamm wird auch Rohschlamm genannt. Die Faultürme werden nicht vollständig mit Faulschlamm angefüllt, so dass sich über dem Faulschlamm ein Volumen an Faulgas befindet. Faulgas aus der anaeroben Methanbildung in einem Faulbehälter enthält in der Regel 55 bis 80 % Methan und wird bei einer gemäßigten Temperatur im Bereich von 25 °C bis 45 °C gebildet. Den restlichen Anteil bildet Kohlendioxid sowie in geringen Mengen Schwefelwasserstoff und Wasserstoff. Für die Verwertung des Faulgases wäre es wünschenswert, den Methananteil zu Lasten des Kohlendioxidanteils zu erhöhen, so dass sich der Brennwert des Faulgases bei der Verbrennung des Gases in einem Gasbrenner oder der Verbrennung in einem BHKW nach Zwischenspeicherung in einem Gasspeicher erhöht bzw. die Kosten und der Energieeinsatz für die Biogasaufbereitung bei einer Verwertung im Rahmen einer Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz sich verringern.

Aus der Mikrobiologie ist bekannt, dass Kulturen von hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen in einem geeigneten Kulturmedium H₂ und C0₂ zu Methan umsetzen und dabei ohne weitere Energiequelle wachsen. Im Faulturm einer Kläranlage hingegen liegt eine komplizierte Biozönose aus verschiedenen anaeroben Mikroorganismen vor, die unterschiedliche Stoffwechselwege durchführen und sich mit ihren Stoffwechselprodukten und -edukten gegenseitig beeinflussen sowie unterschiedliche Anforderungen an ihre Lebens- und Wachstumsbedingungen stellen. Beispielsweise werden durch hydrolytische Mikroorganismen im Abwasser enthaltene organische Stoffe abgebaut und zu niedermolekularen Verbindungen wie organischen Säuren umgewandelt, die dann wiederum als Ausgangsprodukte für die Methanproduktion bestimmter methanogener Mikroorganismen dienen. Gleichzeitig wird in der Hydrolyse durch die hydrolytischen Bakterien auch Wasserstoff erzeugt, so dass sich die Einleitung von Wasserstoff in diesem komplexen System auch im Rahmen einer Endprodukthemmung negativ auf die vorgeschaltete Hydrolysestufe und damit auf die Gesamtproduktion an Biogas auswirken könnte.

Erstaunlicherweise hat sich jedoch gezeigt, dass extern zugeführter Wasserstoff in dem erfindungsgemäßen System der Kläranlage mit der dort vorhandenen Mikroorganismenflora sehr wohl mit dem im Faulgas bzw. Klärschlamm vorhandenen restlichen Kohlendioxid zu zusätzlich gebildetem Methan umgesetzt werden kann. Im besten Fall wird sogar das vorhandene Rest-C0₂ komplett mit dem zugeführten Wasserstoff umgesetzt, so dass im entstehenden Biogas kein Kohlendioxid mehr vorhanden ist. Die Methanbildung kann sehr schnell durch Zugabe von externem Wasserstoff an- bzw. durch nicht-Zugabe abgeschaltet werden, was besondere Vorteile bei der Nutzung von fluktuierend anfallendem Überschussstrom mit sich bringt.

Im Gegensatz zu den physikalisch-technischen katalytischen Verfahren und den Verfahren zur biologischen Methanisierung mit Reinkultursystemen funktioniert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gut bei den gemäßigten Temperaturen, die ohnehin in Kläranlagen herrschen. Der bisher nicht genutzte Kohlendioxidanteil im Faulgas wird als Kohlenstoffquelle für die biologische Methanisierung mit Hilfe von elektrolytisch erzeugten Wasserstoff genutzt, der bei Verfügbarkeit von billigem Überschussstrom durch eine Elektrolysevorrichtung erzeugt und anschließend in den Faulturm eingeleitet wird. Bei entsprechender Verfügbarkeit von Wasserstoff kann prinzipiell das komplette Kohlendioxid im Faulgas zu Methan umgesetzt werden, so dass im optimalen Fall praktisch reines Methangas entsteht. Durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Summe mehr Methan produziert und weniger Kohlendioxid gebildet als im Faulgas einer konventionellen Kläranlage üblicherweise vorhanden ist. Erreicht wird dies durch eine Erhöhung der Menge an produziertem methanhaltigen Biogas und/oder durch eine Erhöhung des Methangehalts im produziertem methanhaltigen Biogas. Die Erhöhung des Methangehalts im produzierten methanhaltigen Biogas geht einher mit einer Verringerung des C0₂-Gehalts. Da jedoch im Vergleich zu einer konventionellen Kläranlage zusätzlich Wasserstoff zum Faulgas zugeführt wird, was vorzugsweise in einem 4fachen Überschuss zum vorhandenen C0₂ geschieht, drückt sich das zusätzlich gebildete Methan nicht zwingend in einem Anstieg des Methangehalts im Biogas aus, wenn der zugesetzte Wasserstoff nicht vollständig umgesetzt wird, da in diesem Fall durch den Restwasserstoff ein Verdünnungseffekt eintritt. Der vorhandene Restwasserstoff ist jedoch keine verlorene Energie, sondern kann bei einer geeigneten Verwertung des entstehenden methanhaltigen Biogases ebenfalls genutzt werden. Da der Wasserstoff aus Strom erzeugt wird, der ansonsten nicht ins Stromnetz eingespeist werden kann, ist prinzipiell jede Erhöhung des Methangehalts im erzeugten Faulgas vorteilhaft für die chemische Speicherung von elektrischer Energie, auch wenn Anteile von Wasserstoff oder Kohlendioxid in dem so erzeugten biomethanhaltigen Gas verbleiben.

Der anaerobe Bioreaktor der Kläranlage besitzt eine Abführvorrichtung für das gebildete methanhaltige Biogas. Diese Abführvorrichtung befindet sich im Gasraum des Reaktors über dem Faulschlamm im oberen Teil des Bioreaktors. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine Rohrleitung, die mit Hilfe eines Ventils abgesperrt werden kann. Im Bereich des Biogasauslasses finden sich Messeinrichtungen für die Zusammensetzung des gebildeten methanhaltigen Biogases, insbesondere Messeinrichtungen zum Messen des Gehaltes an CH₄, C0₂, H₂, 0₂, N₂ und H₂S. Da der Gehalt an N₂ und H₂S für die Steuerung und Regelung der Gasflüsse nicht relevant ist, handelt es sich bevorzugt um Messeinrichtungen zur Bestimmung des Gehaltes an CH₄ und/oder C0₂ und/oder H₂ und/oder 0_2. Das Messen des Sauerstoffgehalts ist sicherheitstechnisch relevant wegen der Explosionsgrenzen von Wasserstoff/Sauerstoff-Gemischen, aber auch zur Kontrolle einer anaeroben Atmosphäre für die biologische Methanisierung. Außerdem weist die Abführvorrichtung Messeinrichtungen zur Bestimmung der Menge des entnommenen methanhaltigen Gases auf, wie beispielsweise Gaszähler oder Gasflussmessgeräte.

Wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystems in Abwandlung einer herkömmlichen Kläranlage ist eine Zufuhrvorrichtung für die Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor der Kläranlage. Diese Zufuhrvorrichtung verbindet den Ausgang für den gebildeten Wasserstoff des Elektrolyseurs mit dem Wasserstoffeingang im anaeroben Bioreaktor der Kläranlage. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Zufuhrvorrichtung um eine Gasleitung, die geeignet ist, Wasserstoff mit dem Druck aufzunehmen, in der er vom Elektrolyseur zur Verfügung gestellt wird. Die Zuführvorrichtung tritt in der Weise in den anaeroben Bioreaktor ein, dass der zugeführte Wasserstoff direkt in den Faulschlamm eingeleitet wird, also bevorzugt im unteren Teil des Faulturms. Da der Faulschlamm in den Faultürmen in der Regel nur langsam vermischt bzw. gerührt wird, ist es vorteilhaft, wenn der zugeführte Wasserstoff durch ein entsprechendes Feinverteilungssystem an der Zuführvorrichtung möglichst fein verteilt wird, um einen guten Gas-zu- Flüssigkeitstransfer zu erreichen, welcher eine Voraussetzung für eine möglichst vollständige Umsetzung des Wasserstoffs durch die methanogenen Mikroorganismen ist.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme zur Gaseinbringung bekannt wie Düsen, Sprinkler oder Einblasrohre, statische Mischsysteme, Injektoren, Systeme, die nach dem Prinzip der Druckentspannung arbeiten, perforierte Schläuche oder zweidimensionale Bauteile, Kartuschen, Fritten, Platten oder Bauteile aus Sinterwerkstoffen oder Membranen. Bei großen anaeroben Bioreaktoren ist es sinnvoll, den Wasserstoff an mehreren Stellen des Bioreaktors zuzuführen. Ein positiver Effekt der üblichen Höhe der Faultürme von Kläranlage ist die Tatsache, dass der Wasserstoff bei Einleitung in der Nähe des Fermenterbodens ohnehin eine lange Diffusionsstrecke zurücklegt bis nicht umgesetzter Wasserstoff am oberen Ende des Klärschlamms austritt. Aufgrund des relativ großen Gasvolumens über dem Faulschlamm und der vergleichsweise langsamen Umsetzung des Faulschlamms kann sich auch nicht umgesetzter Wasserstoff aus dem gebildeten methanhaltigen Biogas erneut im Faulschlamm lösen ohne dass hierfür Biogas rezirkuliert werden müsste.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Zufuhrvorrichtung für den elektrolytisch gebildeten Wasserstoff nicht direkt mit dem anaeroben Bioreaktor verbunden, sondern der Wasserstoff wird durch ein geeignetes Einbringsystem in eine Zufuhrleitung für den Rohschlamm, der in den anaeroben Bioreaktor transportiert wird, eingebracht. Vorzugsweise handelt es sich bei der Zufuhrleitung für den Rohschlamm um eine Druckleitung und der Rohschlamm wird über ein Pumpsystem in den anaeroben Bioreaktor eingebracht. Bei dem Wasserstoffeinbringsystem handelt es sich insbesondere um eine Mehrphasenpumpe, einen statischen Mischer oder besonders bevorzugt um einen dynamischen Mischer. Um ein Verstopfen der Wasserstoffeinbringsysteme zu vermeiden kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Filtervorrichtung für grobe Verunreinigungen vorgeschaltet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wasserstoffeinbringungssystem in einem Begasungscontainer untergebracht und die Wasserstoffeinbringung erfolgt in einem Bypass zur Zufuhrleitung für Rohschlamm, da der einzubringende Wasserstoff nicht kontinuierlich zur Verfügung steht. Der Bypass zur Wasserstoffeinbringung wird vorzugsweise über steuerbare Ventile für eine Rohschlammzufuhr in den Faulturm freigeschaltet, sobald Wasserstoff für die Einbringung verfügbar ist.

Das erfindungsgemäße Energieumwandlungssystem nutzt das Kohlendioxid, das innerhalb des Systems der Kläranlage vorhanden ist und das im konventionellen Betrieb nicht zu Methan umgesetzt wird. Es wird also kein externes Kohlendioxid in den Faulturm zur Methanisierung zugegeben. Da das erfindungsgemäße Verfahren nur Überschussstrom für die Wasserstoffproduktion und anschließende Methanisierung verwendet, der nicht kontinuierlich zur Verfügung steht, ist es im Betrieb der Anlage zumindest zeitweise nicht möglich, den Kohlendioxidgehalt des entstehenden methanhaltigen Biogases komplett zu reduzieren. Je nach Verwertung des entstandenen methanhaltigen Biogases muss der C0₂-Anteil teilweise entfernt werden, so dass innerhalb des Energieumwandlungssystems ein Kohlendioxidgas anfällt, das für die weitere biologische Methanisierung mit Wasserstoff verwendet werden kann. Wird das methanhaltige Biogas beispielsweise aus dem Energieumwandlungssystem direkt in die Erdgasleitung eingespeist, muss der Methananteil mindestens 95 % betragen, so dass vorhandenes Kohlendioxid vor der Gaseinspeisung in einer Gasaufbereitungsanlage entfernt werden muss. Dieses Kohlendioxid kann innerhalb des Systems in den Faulturm zurückgeführt werden, so dass es zusammen mit zugeführtem Wasserstoff methanisiert werden kann.

Findet eine Verwertung des methanhaltigen Biogases beispielsweise über ein Blockheizkraftwerk (BHKW) statt, wo es zur Umwandlung des Gases in Strom und Wärme kommt, ist ein Anteil von Restkohlendioxid nicht kritisch. In Zeiten, in denen ein Stromüberangebot im Netz vorhanden ist, kann das BHKW keinen Strom einspeisen; gleichzeitig steht jedoch Überschussstrom für die Wasserelektrolyse zur Verfügung. Falls das methanhaltige Biogas nicht für den Energiebedarf innerhalb des Energieversorgungssystems verwendet wird, ist es in diesem Szenario günstig, das methan- und kohlendioxidhaltige Biogas in einem Gasspeicher zwischenzuspeichern oder in den Fermenter zurückzuführen statt direkt über das BHKW zu verwerten, so dass es zu bestimmten Zeiten zu einer Rezirkulation von Kohlendioxid bzw. kohlendioxidhaltigem Gas in den Faulturm der Kläranlage kommt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, in der zu bestimmten Zeiten mehr Wasserstoff zur Verfügung steht als an nicht umgesetztem Kohlendioxid im Faulgas bzw. im Faulschlamm vorhanden ist, kann das C0₂-haltige Abgas, das im BHKW oder in einem Gasbrenner entsteht, innerhalb des Energieumwandlungssystems in den Faulturm zur biologischen Methanisierung zurückgeführt werden.

Für die Rückfuhr von Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltigem Gas, das aus dem Energieumwandlungssystem selbst stammt, ist es gegebenenfalls sinnvoll, eine Rückfuhrvorrichtung in den Bioreaktor der Kläranlage bereit zu stellen. Bei der Rückfuhrvorrichtung für Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltigem Gas handelt es sich um eine Rohrleitung mit einem Anschluss, die das entsprechende Gas in den Bioreaktor der Kläranlage einbringt. Der Anschluss ist vorzugsweise in dem Bereich des Faulturms gelegen, in dem sich der Faulschlamm befindet, also im unteren Bereich. Die Rückfuhrvorrichtung bezieht das Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltige Gas in bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise von der Biogasaufbereitungsanlage, aus der Leitung für das methanhaltige Biogas, aus dem Abgas des BHKWs oder aus einem möglichen Speicher. Die Rückfuhrvorrichtung für die Rückfu r von Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltigem Gas in den Bioreaktor einer Kläranlage ist sowohl am Anschluss an den Bioreaktor als auch an der C0₂- Quelle mit Ventilen versehen, die den Gasfluss steuern. Gasmessgeräte, Gasanalysegeräte und eine entsprechende Regelungs- und Steuervorrichtung steuern den Gasfluss für das kohlendioxidhaltige Gas.

Bestandteil des erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystems sind neben den Vorrichtungen zur Erzeugung des methanhaltigen Biogases auch eine entsprechende Vorrichtung zur Verwertung und/oder Speicherung des auf diese Weise erzeugten methanhaltigen Biogases, welches zumindest einen Anteil Methan enthält, der auf die Umsetzung von Elektrolysewasserstoff mit im Faulschlamm enthaltenem Rest-C0₂ zurückgeht. Prinzipiell sind alle Verwertungs- und/oder Speichereinrichtungen aus dem Stand der Technik geeignet, die das aus Überschussstrom hervorgegangene zusätzlich produzierte Biomethan nutzen können. In Verbindung mit dem System einer Kläranlage und den speziellen Bedingungen für die Nutzung des Überschussstroms erscheinen jedoch bestimmte Ausführungsformen zur Verwertung besonders geeignet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäß erzeugte methanhaltige Biogas so aufbereitet, dass es direkt in das Erdgasnetz eingespeichert werden kann. Ins Erdgasnetz wird ein methanhaltiges Biogas in Erdgasqualität als Ersatzgas für Erdgas eingespeist, das sogenannte SNG-Gas (synthetic oder Substitute natural gas). Dies kommt insbesondere für größere Kläranlagen mit einer Biogasproduktion ab etwa 250 m³ pro Stunde in Frage. In dieser Ausführungsform wird der Überschussstrom, der für die Wasserelektrolyse verwendet wird, vollständig in brennbares Gas, also in einen chemischen Energiespeicher, umgewandelt, der dann im vorhandenen Erdgasnetz gespeichert werden kann und so als Speicher die vorhandene Infrastruktur des Gasnetzes nutzt. Für die Biogaseinspeisung muss das biomethanhaltige Gas bestimmte Voraussetzungen erfüllen, die sich nach den jeweils gültigen Einspeiserrichtlinien richten (z.B. DVGW-Arbeitsblätter G260 und G262 in Deutschland), wie beispielsweise einen Methangehalt von größer 95 % und einen Wasserstoffgehalt von kleiner 5 %. Prinzipiell kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein methanhaltiges Gas erzeugt werden, dass diese Anforderungen erfüllt. Da jedoch aufgrund des schwankenden Angebots an Überschussstrom nicht kontinuierlich genügend Wasserstoff zur Verfügung steht, um das vorhandene Rest-C0₂ im Faulschlamm komplett umzusetzen, sind bevorzugt Vorrichtungen zur Biogasaufbereitung und anschließender Gaskonditionierung (z.B. Brennwertanpassung) vorhanden, die geeignet sind, die entsprechende Gasqualität zur Gaseinspeisung kontinuierlich bereitzustellen. Im Wesentlichen sind dies Vorrichtungen zur Entfernung von Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Wasserdampf (Gastrocknung) und gegebenenfalls Wasserstoff, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Energetisch besonders aufwändig ist hierbei die Abtrennung von Kohlendioxid aus dem methanhaltigen Biogas nach einschlägigen Verfahren wie Druckwechseladsorption, chemischen Adsorptionsverfahren wie Aminwäsche, Druckwasserwäsche, Membrantrennverfahren oder kryogenen Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit dem Vorteil verbunden, dass der Kohlendioxidgehalt des entstehenden methanhaltigen Biogases gegenüber dem Biogas aus einer herkömmlichen Kläranlage reduziert wird, so dass die energieaufwändige Kohlendioxidabtrennung aus dem Biogas erheblich vereinfacht wird. Dies äu ßert sich darin, dass für die Biogasaufbereitung weniger Energie aufgewendet werden muss und/oder die benötigten Anlagen zur Biogasaufbereitung kleiner dimensioniert, im Optimalfall sogar ganz eingespart werden können. Das abgetrennte Kohlendioxid aus der Biogasaufbereitung kann gegebenenfalls zur Methanisierung in den anaeroben Bioreaktor zurückgeführt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die sich insbesondere für kleiner dimensionierte Kläranlagen eignet, wird das produzierte methanhaltige Biogas innerhalb des Energieumwandlungssystems zur Energiegewinnung verbrannt. Hierfür eignen sich beispielsweise Gasmotoren, Gasturbinen oder Mikrogasturbinen oder Gasbrenner. Besonders geeignet ist deren Verwendung in Anlagen mit Kraft- Wärme-Kopplung, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen wie beispielweise ein Blockheizkraftwerk (BHKW). Da hierfür die Anforderungen an die Gasqualität deutlich geringer sind als bei Einspeisung ins Erdgasnetz, entfällt in der Regel eine aufwändige Biogasaufbereitung, insbesondere die C0₂-Abtrennung. Das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildete methanhaltige Biogas enthält weniger bis gar kein C0₂, dafür aber mehr Methan, so dass der Brennwert bei der Verbrennung deutlich größer ist, also mehr Strom und Wärme erzeugt werden kann.

Auch ein Anteil an nicht umgesetztem Restwasserstoff ist in diesem System kein Problem und kann produktiv in Strom und Wärme umgewandelt werden. In einer bevorzugten Variante können der zusätzlich erzeugte Strom und die Wärme verwendet werden, um den Eigenbedarf der Kläranlage an Strom und Wärme zu decken. Insbesondere für die Temperierung des dünnflüssigen Klärschlamms mit einem relativ geringen Trockensubstanzgehalt, aber auch für eine nachgeschaltete Trocknung des Klärschlammrückstandes wird sehr viel Energie benötigt, die häufig in einer konventionellen Kläranlage nicht durch die im herkömmlichen Faulgas enthaltene Energie gedeckt werden kann. Daneben geht ein erheblicher Anteil des Stromverbrauchs in die Belüftung der Belebtschlammbecken für die aeroben Abwasserreinigungsstufen. Der zusätzliche Energiegewinn durch die vermehrte Methanproduktion und gegebenenfalls durch zusätzlich vorhandenen Wasserstoff kann den externen Energieverbrauch einer Kläranlage verringern. In dieser Ausführungsform wird der Überschussstrom, der für die Wasserelektrolyse verwendet wird, intermediär in ein Biogas mit einem erhöhten Methangehalt, also in einen chemischen Energiespeicher verwandelt. Dadurch, dass das Gas innerhalb des Systems wieder verbraucht wird, ist die Rückverstromung in diesem Fall abgekoppelt vom Stromnetz, kann also jederzeit unabhängig davon erfolgen.

In einer weiteren Variante können der aus dem unter Zusatz von Wasserstoff gebildeten Methan zusätzlich erzeugte Strom und die zusätzlich erzeugte Wärme extern verwendet werden. Die erzeugte Wärme kann für nahegelegene externe Verbraucher (z.B. gewerbliche Anwender, öffentliche Infrastruktur wie Schwimmbäder) verwendet werden oder in ein Fernwärmenetz eingespeist werden. Der erzeugte Strom kann in geeigneter Weise in das Stromnetz eingespeist werden. Für den Stromanteil handelt es sich hierbei im Prinzip um eine Rückverstromung des verwendeten Überschussstroms. Durch die Zwischenschritte der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und die anschließende biologische Methanisierung in dem anaeroben Reaktor der Kläranlage erreicht man jedoch eine Entkopplung der Rückverstromung von dem ursprünglichen Stromangebot, was sich in den beiden chemischen Zwischenspeicher Wasserstoff und methanhaltiges Biogas manifestiert. Der Strom aus der Rückverstromung wird bevorzugt in das Stromnetz eingespeist, wenn ein erhöhter Strombedarf und somit günstige Strommarktbedingungen vorliegen, beispielsweise beim Abruf positiver Regelenergie im Falle einer nicht prognostizierten erhöhten Stromlast. In diesem Zusammenhang wird die Stromeinspeisung über einen Netzregler geregelt. Um eine größere Flexibilität bei der Entkopplung der Überschussstromproduktion von der Verwertung des in dem beschriebenen „Power to Gas" Verfahren erzeugten methanhaltigen Biogases zu erreichen, ist es in dieser Variante sinnvoll, einen Biogaszwischenspeicher in das Energieversorgungssystem zu integrieren.

Das Energieumwandlungssystem ist auf die Verwendung von Überschussstrom zur Wasserstoffsynthese sowie auf die biologische Methanisierung des so gebildeten Wasserstoffs in einer Kläranlage ausgelegt. Daher muss das Energieumwandlungssystem geeignete Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen besitzen, um effizient zu arbeiten. Geeignet dafür sind insbesondere computergestützte Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen aus dem Stand der Technik. Zentrale Steuergröße für die Steuerung und Regelung der Anlage ist die Gaszusammensetzung des im anaeroben Bioreaktor gebildeten methanhaltigen Biogases in Verbindung mit der Menge an erzeugtem methanhaltigem Biogas. Im Bereich des Biogasauslasses aus dem anaeroben Bioreaktor befinden sich entsprechende Messeinrichtungen für die Zusammensetzung des gebildeten methanhaltigen Biogases, insbesondere zum Messen des Gehaltes an CH₄, C0₂, H₂, 0₂, N₂ und H₂S. Da der Gehalt an N₂ und H₂S für die Steuerung und Regelung der Gasflüsse nicht relevant ist, handelt es sich bevorzugt um Messeinrichtungen zur Bestimmung des Gehaltes an CH₄ und/oder C0₂ und/oder H₂ und/oder 0_2. Außerdem weist die Abführvorrichtung Messeinrichtungen zur Bestimmung der Menge des entstandenen methanhaltigen Gases auf wie Gaszähler oder Gasflussmessgeräte. Die erfindungsgemäß vorgesehene(n) ein (oder mehrere) Steuerungs- und Regelungseinheit(en) sorgt für eine Reduktion des C0₂-Gehalts des Faulgases bzw. für eine vollständige Methanisierung des systemintern vorhandenen Rest-C0₂ mit H₂ und damit gegenüber einer konventionellen Kläranlage für eine erhöhte Methanbildungsrate. Eine primäre Regelgröße ist in diesem System der C0₂-Gehalt des methanhaltigen Biogases. Solange Rest-Kohlendioxid im Gas vorhanden ist, ist eine positive Rückkopplung auf den Gaszufluss von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor angezeigt. Ist kein C0₂ mehr im Biogas vorhanden, wird die Wasserstoffzufuhr in den anaeroben Bioreaktor abgeregelt und der mit dem Elektrolyseur produzierte Wasserstoff wird im Energieumwandlungssystem zwischengespeichert.

Die Menge an Wasserstoffzufuhr in den anaeroben Bioreaktor ist gegebenenfalls dadurch limitiert, dass nicht genügend Wasserstoff mit Hilfe des Elektrolyseurs gebildet werden kann, weil nicht genügend Überschussstrom aus dem Stromnetz vorhanden ist, was durch einen Netzregler geregelt wird. Gegebenenfalls kann zu Zeiten, in denen kein Überschussstrom vorhanden ist, für die Methanisierung auf Wasserstoff zurückgegriffen werden, der in Zeiten, in denen ein Wasserstoffüberschuss produziert wurde, im Energieversorgungssystem zwischengespeichert wurde. Als zweite Regelgröße neben dem C0₂-Gehalt des methanhaltigen Biogases dient der H₂-Gehalt im Ausgangsgas aus dem anaeroben Bioreaktor. Von diesem Wasserstoff soll ein möglichst großer Anteil zusammen mit dem systemintern vorhandenen C0₂ in Methan umgewandelt werden, welches dann als chemischer Energieträger bzw. Zwischenspeicher dient. Ein gewisser Anteil von Wasserstoff kann jedoch im erzeugten methanhaltigen Biogas geduldet bzw. sinnvoll verwertet werden. Je nach weiterer Verwertung des methanhaltigen Biogases kann dieser Anteil größer (z.B. bei Verwertung im BHKW) oder kleiner sein (z.B. bei Gasdirekteinspeisung). Ist der Anteil an H₂ im erzeugten methanhaltigen Biogas zu hoch, erfolgt eine negative Rückkopplung auf die Wasserstofferzeugungsrate im Elektrolyseur oder es wird ein Anteil des erzeugten Wasserstoffs nicht in den anaeroben Bioreaktor eingeleitet, sondern zwischengespeichert. Der Methangehalt des erzeugten methanhaltigen Biogases ist in diesem System als Steuer- und Regelgröße nicht alleine aussagekräftig, da für die Methanisierung von C0₂ mit H₂ aufgrund der chemischen Reaktionsgleichung von Vorteil ein 4facher molarer Überschuss an Wasserstoff eingesetzt wird. Wird der Wasserstoff nur zu einem gewissen Anteil in Methan umgewandelt, findet sich volumenmäßig so viel Restwasserstoff im Ausgangsgas, dass gegebenenfalls der Methananteil zahlenmäßig sinkt, obwohl insgesamt mehr Methan produziert wurde. Die Gesamtmenge an produziertem Methan errechnet sich dann aus dem Methananteil in Verbindung mit der Gesamtbiogasmenge, die über Gaszähler oder Gasflussmessgeräte ermittelt wird. Zur Steigerung der Menge an produziertem Methan ist eine C0₂-Rückführung aus dem abgetrennten Gas aus der Biogasaufbereitung sinnvoll, wenn genügend H₂ aus Überschussstrom zur Verfügung steht. In dem Fall, dass ein relativ hoher Wasserstoffanteil im methanhaltigen Biogas gemessen wird und gerade kein Wasserstoff aus Überschussstrom zur Verfügung steht, kann H₂-haltiges Biogas vor einer Verwertung in den Fermenter rezirkuliert werden. Für die Verwertung des methanhaltigen Biogases in einem BHKW mit Rückverstromung und Einspeisung des Stromes in das Stromnetz erfolgt eine zusätzliche Regelung über den Netzregler bei der Stromeinspeisung in dem Sinne, dass bevorzugt nur Strom eingespeist wird, wenn dieser benötigt wird. Andernfalls wird das methanhaltige Biogas nicht im BHKW verwertet, sondern zwischengespeichert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben. Die Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen gemachten Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigt:

Fig. 1 Ein Energieumwandlungssystem mit Zuführung von Wasserstoff in einen

Faulturm einer Kläranlage und anschließender Verwertung des entstehenden methanhaltigen Gases durch Gasdirekteinspeisung in das Erdgasnetz.

Fig. 2 Ein Energieumwandlungssystem mit Zuführung von Wasserstoff in einen

Faulturm einer Kläranlage und anschließender Verwertung des entstehenden methanhaltigen Gases in einem Blockheizkraftwerk. Fig. 3A, 3B Auftragung der Gasbildungsraten und der Raumbelastung einer Wasserstoffverwertung mit Klärschlammproben in einem kontinuierlichen Versuchsfermenter.

Fig. 4A, 4B Auftragung der Gaszusammensetzung des gebildeten methanhaltigen

Biogases einer Wasserstoffverwertung mit Klärschlammproben in einem kontinuierlichen Versuchsfermenter. Fig. 5 Ein Energieumwandlungssystem mit alternativer Zuführung von

Wasserstoff in einen Faulturm einer Kläranlage über ein

Wasserstoffeinbringsystem in einem Bypass zur Klärschlammzufuhrleitung. Fig. 6 Gasqualitäten im methanhaltigen Gas im Faulturm einer kommunalen

Kläranlage bei der Methanisierung von zugeführtem Wasserstoff.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Figur 1 ist beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit Zuführung von Wasserstoff in einen Faulturm einer Kläranlage und anschließender Verwertung des entstehenden methanhaltigen Gases durch Gasdirekteinspeisung in das Erdgasnetz dargestellt. Aus dem Stromnetz 1 wird über einen Netzregler 2 über die Stromzufuhr 3 der Elektrolysevorrichtung 4 jeweils Strom für die Wasserhydrolyse zur Verfügung gestellt, wenn im Stromnetz Überschussstrom vorhanden ist, der zu günstigen Preisen bezogen werden kann. Der in der Elektrolysevorrichtung 4 produzierte Wasserstoff wird über die Wasserstoffzufuhrleitung 5 vollständig oder anteilsmäßig in den anaeroben Bioreaktor 6 der Kläranlage im Bereich des Klärschlamms über ein Feinverteilungssystem zugeführt oder in einen Wasserstoffspeicher 7 gespeichert. Die mengenmäßige Zufuhr des Wasserstoffs wird durch entsprechende Absperrventile sowie ein Dreiwegeventil geregelt. Die Abwärme der Elektrolysevorrichtung 4 wird über einen Wärmetauscher 8 dem anaeroben Bioreaktor 6 zur Erwärmung des Klärschlamms zugeführt. Im oberen Teil des anaeroben Bioreaktors 6, also im Bereich der Gasphase führt die Biogasleitung 9 über ein Ventil zu der Biogasaufbereitungsvorrichtung 12. Dazwischen angeordnet sind die Messvorrichtungen 10 zur Analyse der Gasqualität und der Gasmenge des produzierten methanhaltigen Biogases sowie eine Steuer- und Regelvorrichtung 1 1 . Diese regelt anhand der Ergebnisse der Messvorrichtungen sowie der Vorgaben zur Steuerung der Gasqualität den Wasserstoffzufluss in den anaeroben Bioreaktor über die Elektrolysevorrichtung 4 und den Wasserstoffspeicher 7.

Daneben wird ausgehend von den Messergebnissen die Biogasaufbereitung 12 geregelt und gegebenenfalls über die Leitung zur Kohlendioxidrückführung 13 bei der Biogasaufbereitung entstehendes und aus dem Biogas abgetrenntes C0₂ in den anaeroben Bioreaktor 6 im Bereich des Klärschlamms eingeführt, so dass es für die weitere Methanisierung zur Verfügung steht. Ist die Gasqualität bereits ausreichend gut für eine Direkteinspeisung als Ersatzgas, so dass auf eine Biogasaufbereitung verzichtet werden kann, kann die die Steuer- und Regelvorrichtung 1 1 über eine weitere Biogasleitung einen Bypass zu der Biogasaufbereitung ansteuern (nicht dargestellt). Gegebenenfalls kann das produzierte Biogas auch vor der Zuführung in die Biogasaufbereitung 12 über eine weitere Biogasleitung 14 zurück in den anaeroben Bioreaktor geführt, also rezirkuliert werden.

Aufbereitetes Biogas aus der Biogasaufbereitung 12 wird über eine weitere Gasleitung 15 der Biogaskonditionierungsvorrichtung 16 zugeführt. Diese beinhaltet neben weiteren Mess- und Steuerung- sowie Regelungsvorrichtungen, Vorrichtungen zur Anpassung des aufbereiteten Biogases an die Anforderungen zur Einspeisung eines Ersatzgases in die Erdgasleitung (z.B. Brennwertanpassung, Odorierung, Druckanpassung). Über die Gasleitung 17 wird dieses Ersatzgas der Erdgasleitung 18 zugeführt.

Figur 2 zeigt ein Energieumwandlungssystem mit Zuführung von Wasserstoff in einen Faulturm einer Kläranlage und anschließender Verwertung des entstehenden methanhaltigen Gases in einer Vorrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung wie z.B. einem BHKW. Aus dem Stromnetz 1 wird über einen Netzregler 2 über die Stromzufuhr 3 der Elektrolysevorrichtung 4 jeweils Strom für die Wasserhydrolyse zur Verfügung gestellt, wenn im Stromnetz Überschussstrom vorhanden ist, der zu günstigen Preisen bezogen werden kann.

Der in der Elektrolysevorrichtung 4 produzierte Wasserstoff wird über die Wasserstoffzufuhrleitung 5 in den anaeroben Bioreaktor 6 der Kläranlage im Bereich des Klärschlamms zugeführt. Die mengenmäßige Zufuhr des Wasserstoffs wird durch die Wasserstoff Produktion aus dem Elektrolyseur 4 geregelt. Die Abwärme der Elektrolysevorrichtung 4 wird über einen Wärmetauscher 8 dem anaeroben Bioreaktor 6 zur Erwärmung des Klärschlamms zugeführt. Im Faulschlammbereich befindet sich eine Vorrichtung zur Abfuhr des Gärrestes in ein Gärrestlager 23, in dem die Gärresttrocknung stattfindet. Im oberen Teil des anaeroben Bioreaktors 6, also im Bereich der Gasphase führt die Biogasleitung 9 über ein Ventil zu einem Biogasspeicher 24 und von dort aus in ein BHKW 25 als Gasverwertungseinrichtung.

Zwischen Biogasauslass am Faulturm und dem BHKW angeordnet sind die Messvorrichtungen 10 zur Analyse der Gasqualität und der Gasmenge des produzierten methanhaltigen Biogases sowie eine Steuer- und Regelvorrichtung 1 1 . Diese regelt anhand der Ergebnisse der Messvorrichtungen sowie der Vorgaben zur Steuerung der Gasqualität den Wasserstoffzufluss in den anaeroben Bioreaktor 6 über die Elektrolysevorrichtung 4. Daneben wird ausgehend von den Messergebnissen die Biogasverwertung im BHKW 25 geregelt sowie gegebenenfalls bei C0₂-Mangel im Fermenter über die Gasleitung 26 Kohlendioxid aus dem Abgas des BHKWs in den anaeroben Bioreaktor 6 im Bereich des Klärschlamms eingeführt, so dass es für die weitere Methanisierung zur Verfügung steht. Andernfalls wird das Abgas über die Leitung 27 freigesetzt. Gegebenenfalls kann das produzierte Biogas auch vor der Zuführung in den Biogasspeicher 24 über eine weitere Biogasleitung 14 zurück in den anaeroben Bioreaktor geführt, also rezirkuliert werden, beispielsweise, wenn ein hoher Restwasserstoffgehalt vorliegt, aber der Elektrolyseur gleichzeitig wenig oder keinen Wasserstoff produziert. Da die Gaszusammensetzung im Biogasspeicher 24 von der Gaszusammensetzung des jeweils aktuell aus dem Faulturm über die Biogasleitung 9 abgeführten Gases abweichen kann, ist es sinnvoll, am Biogasauslass des Biogasspeichers 24 weitere Gasmessvorrichtungen zu installieren (nicht dargestellt).

Bei der Verwertung des methanhaltigen Biogases im BHKW 25 wird sowohl elektrischer Strom als auch Wärme produziert. Der produzierte Strom kann innerhalb der Kläranlage über die Leitung 29 beispielsweise für die Belüftung des aeroben Belebtschlammbeckens 19 über Druckluftpumpen verwendet werden. Überschussschlamm aus dem Belebtschlammbecken 19 wird über die Leitung 20 dem Faulturm zugeführt. Neben einer Verwendung des produzierten Stroms innerhalb der Kläranlage kann dieser auch ins Stromnetz 1 eingespeist werden. Ein Netzregler 2 regelt die Stromeinspeisung, so dass nur zu Zeiten eingespeist wird, in denen dies ökonomisch rentabel ist. Die im BHKW produzierte Wärme kann über die Leitung 28 vorzugsweise innerhalb der Kläranlage verwendet werden. Über Wärmetauscher 21 kann die thermische Energie dem anaeroben Bioreaktor zugeführt werden, über Wärmetauscher 22 beispielsweise der Anlage zur Gärresttrocknung 23.

Beispiel 1 : Batch-Tests zur Wasserstoffverwertung mit Klärschlammproben

Um zu zeigen, dass Klärschlamm geeignet ist, eine biologische Methanisierung unter H₂-Zugabe in einem „Power to Gas"- Verfahren durchzuführen, wurden verschiedene Klärschlammproben in Batch-Ansätzen mit Wasserstoff begast. Die Klärschlammproben stammten aus einer kommunalen Kläranlage. Es wurde entweder Klärschlamm aus einem Faulturm mit einem Trockensubstanzgehalt (TS) von 4,0 bis 5,8 % verwendet, was einem Gehalt an organischer Trockensubstanz (oTS) von 2,2 bis 2,9 % entspricht oder Überschussschlamm aus einem Belebtschlammbecken mit einem TS-Gehalt von 3,4 % bzw. einem oTS-Gehalt von 1 ,8 %. Für die Versuche wurden gasdichte Serumflaschen aus Glas mit 120 ml Volumen verwendet. In jeden Versuchsansatz wurden 20 g einer Klärschlammprobe eingesetzt, die mit einer Spritze aufgezogen und mit Hilfe der Spritzenkanüle durch den Gummistopfen im Deckel der Serumflasche eingespritzt wurde. Vor Versuchsstart wurde bei den Serumflaschen Vakuum gezogen und anschließend das für den Versuchsansatz verwendete Gas mit einem Druck von 2 bar aufgepresst. Die Versuchsansätze enthielten entweder reinen Wasserstoff als Gas oder eine H₂/C0₂-Gasmischung im Volumenverhältnis 4:1 . Für Kontrollansätze wurde der Wasserstoff durch Stickstoff ersetzt. Die Serumflaschen mit den Klärschlammproben wurden für 1 bis 3 Tage bei 37 °C inkubiert bis entweder kein Überdruck mehr messbar war oder nahezu Druckkonstanz erreicht wurde, so dass praktisch kein Gas mehr umgesetzt wurde. Zum Versuchsende wurden mit Hilfe einer Spritze 50 ml Gas aus der Serumflasche entnommen und die Gaszusammensetzung im Gaschromatographen analysiert. Tabelle 1 fasst die Ergebnisse dieser Gasmessung zusammen.

Tabelle 1 : Batchversuche zur Wasserstoffverwertung mit Klärschlammproben

Es zeigte sich, dass in Versuchsansätzen, in denen nur H₂ zugegeben wurde, das im Klärschlamm vorhandene C0₂ jeweils vollständig aufgebraucht und zu Methan umgesetzt wurde, so dass zum Versuchsende kein C0₂ mehr im Restgas messbar war. Jedoch war hier ein hoher Restwasserstoffgehalt zu messen, da nicht alles H₂ von der Probe im Batch-Ansatz umgesetzt werden konnte. Dieses Szenario ist geeignet für eine Regelung und Steuerung des Wasserstoffzuflusses durch die Messung des C0₂-Gehalts im produzierten Biogas. In diesem Fall würde die Zudosierung von Wasserstoff in den Faulturm gedrosselt, so dass möglichst wenig Restwasserstoff im produzierten Biogas enthalten ist. In den Versuchsansätzen, in denen zusätzlich C0₂ in einem Anteil von 20 Volumenprozent zu H₂ zugegeben wurde, wurde hingegen der Wasserstoff vollständig umgesetzt, so dass ein hoher Methangehalt von knapp 90 % erreicht werden konnte. Da in den Klärschlammproben, wie die Versuche mit Zugabe von reinem Wasserstoff zeigten, ein Potential für eine endogene C0₂-Quelle vorhanden ist, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung für die Mehrproduktion an Methan genutzt wird, konnte das stöchiometrisch zugegebene C0₂ nicht vollständig umgesetzt werden, so dass ein Rest-C0₂-Gehalt von 10 bis 15 % C0₂ zurückblieb. Dieses Szenario ist geeignet für eine Regelung und Steuerung des Wasserstoff- und potentiellen Kohlendioxidzuflusses durch die Messung des H₂-Gehalts im produzierten Biogas. In diesem Fall würde die Zudosierung von Wasserstoff in den Faulturm erhöht und/oder die C0₂-Rückführung gedrosselt, so dass möglichst wenig Restkohlendioxid im produzierten Biogas enthalten ist. Die Versuche zeigten, dass Klärschlamm geeignet ist, zugegebenen Wasserstoff durch biologische Methanisierung mit Hilfe der darin enthaltenen Mikroorganismen zu Methan umzusetzen und, dass es prinzipiell möglich ist, vorhandenes C0₂ vollständig umzusetzen sowie zugegebenen Wasserstoff vollständig in Methan umzuwandeln.

Beispiel 2: Wasserstoff Verwertung mit Klärschlammproben in einem kontinuierlichen Versuchsfermenter

Für die Versuche wurden selbst gebaute Edelstahlfermenter mit einem Gesamtvolumen von 5,2 I verwendet. Als Gärsubstrat wurde zu Beginn 5 I Klärschlamm in die anaeroben Fermenter eingefüllt. Für den kontinuierlichen Betrieb wurden täglich 250 ml Überschussschlamm mit einem oTS-Gehalt zwischen 2,2 und 2,8 % durch eine verschließbare Öffnung am oberen Fermenterende zugegeben sowie eine entsprechende Menge von 250 ml Gärsubstrat am unteren Ende des Fermenter ausgelassen, so dass sich eine mittlere Verweilzeit für das Gärsubstrat von 20 Tagen ergab. Die Fermenter wurden bei einer Temperatur von 39 - 40 °C betrieben. Die H₂-Gaszufuhr erfolgte über einen offenen Begasungsschlauch, der am Boden des Fermenters den Wasserstoff direkt in das Gärsubstrat einbrachte. Die Gaszudosierung erfolgte aus einer Wasserstoffflasche über ein Mass-Flow- Gerät (Wagner), bei dem sich der Gasfluss in l/h einstellen ließ. Ein Milligascounter (Ritter) wurde zur Messung der eingebrachten Gasmenge an H₂ eingesetzt. Am oberen Ende des Fermenters befand sich der Biogasauslass für das methanhaltige Biogas. Das produzierte Biogas wurde in einen gasdichten Gassack eingeleitet und hier gesammelt bis sich eine genügend große Gasmenge (4 I) angesammelt hatte, um die Gaszusammensetzung des erzeugten Biogases in einem Gasanalysegerät (Awite) zu bestimmen. Die Menge der Biogasproduktion im Fermenter wurde ebenfalls über den Gasauslass mit Hilfe eines Milligascounters (Ritter) bestimmt. Mit diesem Versuchsaufbau und dieser Messanordnung konnten einige relevante Kenngrößen wie der Gaszufluss und die Biogasproduktion (l/h), die Gaszusammensetzung (%), die Methanbildungsrate in Normliter CH₄ pro Liter Fermentervolumen und Tag (Nl CH₄/I d), die spezifische Gasbildungsrate (Nl Biogas/kg oTS d) sowie die Umsetzungsrate an H₂ (%) bestimmt werden. Als Kontrollversuch diente ein analog aufgebauter und betriebener Versuchsfermenter, bei dem kein Wasserstoff zudosiert wurde. In den Figuren 3A, 3B, 4A und 4B sind Ergebnisse aus kontinuierlich betriebenen 5 I -Versuchsfermentern, die mit Klärschlamm gefüttert werden, über jeweils 3 Wochen kontinuierlichen Betrieb dargestellt. Die Figuren 3A und 4A zeigen jeweils den Fermenter, bei dem H₂ zugegeben wurde, die Figuren 3B und 4B zeigen jeweils die Kontrollfermenter ohne H₂-Zugabe. Die Figuren 3A und 3B zeigen auf der rechten Achse jeweils die Raumbelastung des Fermenters mit Klärschlamm an (Bezugszeichen 31 ). Der Fermenter mit H₂-Zugabe wies eine mittlere Raumbelastung von 1 ,25 kgoTS/m³d auf, der Kontrollfermenter eine mittlere Raumbelastung von 1 ,19 kgoTS/m³d. Auf der linken Achse sind die Gasbildungsraten bzw. die H₂-Zufuhr in Normliter pro Tag für die jeweiligen Fermenter dargestellt. Bezugszeichen 32 verweist jeweils auf die gebildete Gasmenge an methanhaltigem Biogas, Bezugszeichen 33 auf die gebildete Gasmenge an Methan. Der Fermenter mit H₂-Zufuhr wies im Mittel eine Biogasbildungsrate von 1 ,97 Nl/d auf, während der Kontrollfermenter im Mittel 1 ,08 Nl/d an Biogas bildete. Der Fermenter mit H₂-Zufuhr bildete also im Schnitt 82 % mehr methanhaltiges Biogas als der Kontrollfermenter, wobei dieses Biogas auch einen Anteil an nicht umgesetztem Wasserstoff enthält, wie aus Figur 4A ersichtlich ist. Die Methanbildungsrate des Fermenters mit H₂-Zufuhr war im Mittel 0,9 Nl/d, während die des Kontrollfermenters im Mittel 0,7 Nl/d war. Betrachtet man die Methanbildungsrate, so zeigt sich, dass der Fermenter mit H₂-Zufuhr ca. 29 % mehr Methan produziert als der Kontrollfermenter, was bedeutet, dass zugegebener Wasserstoff durch die Mikroorganismen im Klärschlamm mit dem vorhandenen Kohlendioxid in Methan umgewandelt wird. Die mit Bezugszeichen 34 versehene Linie in Figur 3A zeigt die Zufuhr an H₂ in den Fermenter an. Es wurde im Mittel 1 ,76 I H₂ pro Tag in den Fermenter eingebracht.

Die Figuren 4A und 4B zeigen das Ergebnis der Gasanalyse des jeweils gebildeten methanhaltigen Biogases in Prozent des gemessenen Gesamtgases. Bezugszeichen 41 verweist auf den Methangehalt, Bezugszeichen 42 auf den Kohlendioxidgehalt, Bezugszeichen 43 in Figur 4A auf den Wasserstoffgehalt im Produktgas, der von nicht umgesetztem Wasserstoff in dem Versuchsfermenter stammt. Aufgrund der relativ geringen Gasbildungsraten konnte nur etwa alle 2 bis 3 Tage eine Gasanalyse durchgeführt werden, da das Gasanalysegerät eine angesammelte Gasmenge von ca. 4 I voraussetzte. In dem Fermenter mit H₂-Zufuhr war der Restwasserstoffgehalt in dem gebildeten Biogas im Mittel 18,8 %, der Gehalt an Methan im Mittel 45,7 % und der Gehalt an nicht umgesetztem Kohlendioxid noch 10,7 %. Im Kontrollfermenter war der Methangehalt im Biogas im Mittel 55,0 % und der Gehalt an Kohlendioxid 24,2 %. Aus der Messung der Wasserstoffzugabe in den Fermenter sowie der Menge und der Zusammensetzung des gebildeten Gases in dem erfindungsgemäßen Fermenter konnte berechnet werden, dass im Mittel 63 % des zugegebenen Wasserstoffs in Methan umgewandelt wurden. Dies stimmt in etwa überein mit den gemessenen Methanbildungsraten aus Figur 3. Die Methanbildungsraten von 0,9 Nl/d für den Fermenter mit H₂-Zufuhr und von 0,7 Nl/d für die Kontrolle ohne H₂-Zufuhr entsprechen umgerechnet auf Methanbildungsraten pro Liter Fermentervolumen jeweils 0,18 Nl/Id bzw. 0,14 Nl/Id. Gegenüber der Kontrolle weißt der Fermenter mit H₂-Zufuhr einen Methanmehrertrag von 0,04 Nl/Id auf. Die H₂-Zugabe in den Fermenter betrug im Mittel 1 ,76 I pro Tag, also 0,35 I pro Liter Fermentervolumen. Bei einem stöchimetrischen Umsatz nach Reaktionsgleichung (1 ) sollten daraus maximal ein Methanmehrertrag von 0,09 Nl/Id resultieren bei einer kompletten Methanisierung des Wasserstoffs. Ein Methanmehrertrag von 0,04 Nl/Id entspräche damit 45 % Umsatz des eingeführten Wasserstoffs. Aufgrund der insgesamt kleinen Gasbildungsraten und der entsprechenden Messungenauigkeiten bei der Gasanalyse erscheinen diese Abweichungen plausibel. Errechnet man die spezifische Methanbildungsrate bezogen auf die jeweils eingesetzte organische Trockensubstanz erhält man Werte von 136 NI/kgoTS für den Fermenter mit H₂- Zufuhr und 108 NI/kgoTS für den Kontrollfermenter, so dass der mit H₂-Zufuhr betriebene Fermenter eine Steigerung des spezifischen Gasmehrertrags von 26 % aufwies. Die theoretische Biogasausbeute des verwendeten Klärschlamms wurde in einem Gärversuch mit einer Menge an produziertem Biogas von 195 Nl/kg oTS bestimmt. Deutliche Verbesserungen in der Umsetzung des zugeführten Wasserstoffs sind mit einem besseren Gaseinbringsystem und einer erhöhten Diffusionsstrecke für den Wasserstoff, wie sie in einem Faulturm gegeben ist, zu erwarten.

Es konnte gezeigt werden, dass durch Wasserstoffeinbringung in einen kontinuierlichen Fermenter, der mit Klärschlamm betrieben wird, die spezifische Methanbildungsrate bezogen auf das Fermentervolumen oder auf die Menge an organischer Trockensubstanz deutlich erhöht werden kann. Dies ist ohne eine externe Zufuhr von Kohlendioxid möglich, alleine durch Nutzung des im erfindungsgemäßen System vorhandenen überschüssigen Kohlendioxids und der vorhandenen Mikroorganismen.

In Figur 5 ist beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit alternativer Zuführung von Wasserstoff in einen Faulturm einer Kläranlage und anschließender Verwertung des entstehenden methanhaltigen Gases durch Gasdirekteinspeisung in das Erdgasnetz dargestellt. Die dargestellte alternative Zuführungsvorrichtung für die Einbringung des Wasserstoffs in den Klärschlamm funktioniert in analoger Weise für ein Energieumwandlungssystem mit anschließender Verwertung des entstehenden methanhaltigen Gases in einer Vorrichtung zur Kraft-Wärme-Kopplung wie in Figur 2 dargestellt.

In Abwandlung von dem in Fig. 1 dargestellten Energieumwandlungssystem erfolgt die Wasserstoffeinbringung des in der Elektrolysevorrichtung 4 produzierten Wasserstoffs über die Wasserstoffzufuhrleitung 5 nicht direkt in den anaeroben Bioreaktor 6 der Kläranlage, sondern über ein Wasserstoffeinbringsystem 44, das in einer Bypass-Rohrleitung 45 zur Klärschlammleitung 20, die zum anaeroben Bioreaktor 6 führt, eingebaut ist. In der Klärschlammleitung 20 wird Rohschlamm in den anaeroben Bioreaktor 6 gepumpt, der aus einem Behälter für Überschussschlamm 46 und einem Behälter für Primärschlamm 47 gespeist wird. Als Wasserstoffeinbringsystem 44 eignet sich ein statischer Mischer, eine Mehrphasenpumpe und insbesondere ein dynamischer Mischer. Um ein Verstopfen des Wasserstoffeinbringsystems zu vermeiden, wird gegebenenfalls ein Vorfilter 48 in der Bypass-Rohrleitung 45 installiert. Die Bypass-Rohrleitung 45 ist durch entsprechende Ventile von der Klärschlammzuleitung 20 in den anaeroben Bioreaktor absperrbar, wenn keine Wasserstoffeinbringung in den Klärschlamm erfolgt (Ventile nicht dargestellt). Die Ventilsteuerung der Bypass-Rohrleitung 45 ist in die Steuerung und Regelung des Energieumwandlungssystems integriert, so dass die Bypassleitung 45 freigegeben wird, wenn Wasserstoff in den Klärschlamm eingebracht werden soll.

Beispiel 3: Methanisierung von zugeführtem Wasserstoff im Faulturm einer kommunalen Kläranlage In einem Pilotprojekt wurde an einer kommunalen Kläranlage ein Elektrolyseur zur Produktion von Wasserstoff mit einem maximalen Volumen von 30 Nm³/h installiert. Die Kläranlage weist zwei Faultürme mit je 1300 m³ Volumen auf und produziert insgesamt ca. 1500 m³ Faulgas pro Tag bzw. ca. 750 m³ Faulgas pro Faulturm und Tag. Das produzierte Faulgas weist in der Regel einen Methangehalt von ca. 60 % und einen Kohlendioxidgehalt von ca. 40 % auf, so dass pro Tag und Faulturm ca. 450 m³ Methan produziert werden. Durch die Zufuhr von mit Hilfe des Elektrolyseurs erzeugtem Wasserstoff zum Klärschlamm sollte über eine biologische Methanisierung des Elektrolysewasserstoffs zusammen mit dem im Klärgas bzw. Klärschlamm vorhandenen Kohlendioxid die Faulgasqualität verbessert werden, so dass insgesamt eine größere Methanmenge pro Zeit erzeugt wird.

In dem Ausführungsbeispiel wurde die Wasserstoffeinbringung technisch so gelöst, dass die Wasserstoffzufuhr nicht direkt in den anaeroben Bioreaktor selbst erfolgte, sondern durch eine Zufuhrleitung für den Klärschlamm in den Faulturm wie in Fig. 5 dargestellt. Mit Hilfe eines Pumpsystems wurde eine Mischung aus Überschussschlamm und Klärschlamm als sogenannter Rohschlamm in die Faultürme eingebracht. In einem Bypass zu dieser Klärschlammzufuhr wurde in einem Begasungscontainer Wasserstoff in den Klärschlamm eingebracht, der anschließend zusammen mit dem eingebrachten Wasserstoff in den Faulturm gelangte. Als Einbringsystem für den Wasserstoff wurden alternativ ein statischer Mischer, ein dynamischer Mischer sowie eine Mehrphasenpumpe verwendet. Als besonders geeignetes Wasserstoffeinbringsystem erwies sich dabei ein dynamischer Mischer. Mit einem dynamischen Mischer wurde die gasförmige Phase Wasserstoff in die flüssige Phase Faulschlamm derart eingebracht, dass die beiden Phasen unter Aufwendung von Energie in rotierenden Mischern miteinander verwirbelt wurden. In dem Rohrleitungssystem für die Klärschlammzufuhr kann ein mäßiger Überdruck bis zu etwa 5 bar erreicht werden, was sich für die Wasserstoffeinbringung als vorteilhaft erwies. Beim Eintritt des zugeführten Faulschlamms in den anaeroben Bioreaktor findet eine Entspannung des Mediums auf Normaldruck statt, so dass aus potentiell vorhandenen Gasblasen Mikroblasen entstehen, die wiederum einen erhöhten Gastransfer in den Klärschlamm bewirken.

Das Ergebnis der Wasserstoffzufuhr auf die Gasqualität des gebildeten Faulgases ist in Figur 6 dargestellt. Auf der Ordinate sind die gemessenen Gasqualitäten in Prozent des Gesamtgases des gebildeten Faulgases dargestellt. Die Gasqualität wurde zum einen „online" mit einem Gasanalysegerät (Emerson) gemessen, was durch die durchgezogenen Linien mit den ausgefüllten Symbolen dargestellt ist, als auch durch Gasanalysen von Gasproben des im Faulturm erzeugten methanhaltigen Gases in einem Gaschromatographen. Hierzu wurden jeweils 3 Gasanalysen über den Beobachtungszeitraum durchgeführt, die als offene Symbole dargestellt sind. In Figur 6 sind der Methangehalt (Kreise), der Kohlendioxidgehalt (Quadrate) und der Wasserstoffgehalt (Dreiecke) aufgetragen. Auf der Abzisse ist die Zeit für den Beobachtungszeitraum der Wasserstoffzugabe dargestellt.

Um 8h 55 wurde die Zugabe von Wasserstoff über den dynamischen Mischer gestartet, nachdem über Nacht kein Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor eingeführt wurde. Zu diesem Zeitpunkt war eine Klärgasqualität mit einem Methangehalt von 60 % und einem Kohlendioxidgehalt von 40 % vorhanden. Es war kein Wasserstoff nachweisbar. Bis zur ersten Markierung um 1 1 h 50 wurden anschließend 3 Nm³/h H₂ über einen dynamischen Mischer in die Klärschlammzufuhrleitung eines Faulturmes eingebracht und das im Faulturm erzeugte Faulgas analysiert. Die gemessene Gasqualität des erzeugten Faulgases änderte sich bis zu diesem Zeitpunkt praktisch nicht, allerdings wurde auch fast kein Wasserstoff (weniger als 0,5 %) im gebildeten Faulgas nachgewiesen. Würde die in dem Zeitraum von 2 Stunden eingebrachte H₂-Menge von 6 Nm³ ohne Umsetzung im gebildeten Faulgas auftauchen, würde man einen Wasserstoffgehalt von fast 10 % erwarten, da in einem Faulturm in 2 Stunden etwas über 60 m³ methanhaltiges Gas gebildet wird. Ab 1 1 h55 bis 16h26 wurde für ca. 4,5 Stunden H₂ in einer Menge von 5 Nm³/h eingebracht. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, stieg in dieser Zeit der Methangehalt des gebildeten Faulgases deutlich sichtbar auf ca. 64 % an, während der Kohlendioxidgehalt entsprechend auf knapp 35 % zurückging, was für eine Methanbildung im anaeroben Bioreaktor mit Hilfe des eingebrachten Wasserstoffs und des vorhandenen Kohlendioxids spricht. Der Wasserstoffgehalt stieg in dieser Zeit auf etwas über 1 % an, was dafür spricht, dass der weitaus größte Teils des eingebrachten Wasserstoffs zu Methan umgesetzt wurde. Bei einer zugeführten H₂- Menge von 22,5 Nm³ in 4,5 Stunden würde man bei einer gebildeten Faulgasmenge von ca. 140 Nm³ einen durchschnittlichen H₂-Gehalt von knapp 14 % erwarten, wenn kein Wasserstoff umgesetzt würde. Bei Komplettumsatz des zugeführten Wasserstoffs erwartet man rechnerisch eine Zunahme des Methangehalts von ca. 4 % und eine damit einhergehende Abnahme des Kohlendioxidgehalts von ebenfalls ca. 4 %. Die in dem Ausführungsbeispiel gemessenen Gasqualitäten zeigen also, dass der unter den gegebenen Bedingungen eingebrachte elektrolytisch erzeugte Wasserstoff im anaeroben Bioreaktor der Kläranlage fast vollständig in einer biologischen Methanisierung zu Biomethan umgesetzt wurde und entsprechend ein methanhaltiges Biogas mit einem höheren Methangehalt und damit höherem Brennwert erzeugt wurde.

Claims

Patentansprüche

Energieumwandlungssystem aufweisend

- eine Elektrolyseeinheit (4) zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser,

- einen Anschluss an das öffentliche Stromnetz (1 ) zur Versorgung der Elektrolyseeinheit (4) mit elektrischer Energie,

- einen anaeroben Bioreaktor (6) einer Kläranlage, wobei der Bioreaktor (6) eine Abführvorrichtung (9) für die Entnahme eines im Bioreaktor entstehenden methanhaltigen Gases aufweist,

- eine Zufuhrvorrichtung (5) für die Zufuhr von in der Elektrolyseeinheit (4) elektrochemisch erzeugten Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage,

- eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) zur Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage und zur Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor (6) entstehenden methanhaltigen Gases und

- eine Vorrichtung zur Verwertung (18) und/oder Speicherung (24) des aus dem Bioreaktor entnommenen methanhaltigen Gases.

Energieumwandlungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (7) zur Speicherung des von der Elektrolyseeinheit (4) erzeugten Wasserstoffs vorgesehen ist.

Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückfuhrvorrichtung (13) für die Rückfuhr von Kohlendioxid in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage vorgesehen ist.

Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Feinverteilung von Wasserstoff in dem anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage vorgesehen ist.

Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Netzregler (2) zur gesteuerten Entnahme der aus dem öffentlichen Stromnetz (1 ) zur Versorgung der Elektrolyseeinheit (4) entnommenen elektrischen Energie vorgesehen ist.

6. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (8) zur Übertragung thermischer Energie von der Elektrolyseeinheit (4) auf den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage vorgesehen ist.

Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases vorgesehen ist.

Energieumwandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Messvorrichtung (10) zur Bestimmung der Zusammensetzung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen Gases um eine Vorrichtung zur Bestimmung des Anteils an CH₄ und/oder C0₂ und/oder H₂ und/oder 0₂ und/oder N₂ und/oder H₂S handelt. 9. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Bestimmung der Menge des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases vorgesehen ist.

10. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung (5) für die Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) im Boden des Bioreaktors (6) oder in dem den Boden benachbarten Bereich der Wandung des Bioreaktors (6) an den Bioreaktor (6) angeschlossen ist. 1 1 . Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das die Zufuhrvorrichtung (5) für die Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) in Form eines Wasserstoffeinbringsystems (44) in eine Bypass-Rohrleitung (45) integriert ist, wobei die Bypass-Rohrleitung (45) an die Klärschlammschlammleitung (20) in den anaeroben Bioreaktor (6) angeschlossen ist.

12. Energieumwandlungssystem nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffeinbringsystem (44) ein statischer Mischer, eine

Mehrphasenpumpe oder ein dynamischer Mischer ist.

13. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Wasserstoffeinbringsystem (44) ein Vorfilter (48) in die Bypass-Rohrleitung (45) integriert ist.

14. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (14) zur Rückführung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases in den Bioreaktor (6) vorgesehen ist.

15. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfuhrvorrichtung (13) für die Rückfuhr von Kohlendioxid in den anaeroben Bioreaktor (6) im Boden des Bioreaktors (6) oder in dem den Boden benachbarten Bereich der Wandung des Bioreaktors (6) an den Bioreaktor (6) angeschlossen ist.

16. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung zur Verwertung (18) des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases um ein oder mehrere Einheiten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gasmotoren, Gasturbinen, Mikrogasturbinen, Gasbrenner, Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung insbesondere Blockheizkraftwerke (BHKW) handelt. 17. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (26) zur Rückführung des bei der Verwertung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases entstehenden C0₂-haltigen Abgases in den Bioreaktor (6) vorgesehen ist.

18. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Aufbereitung (12) und eine Vorrichtung zur Konditionierung (16) des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases vorgesehen sind.

19. Energieumwandlungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung zur Verwertung (18) des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases um eine Vorrichtung zur Einspeisung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases in das öffentliche Erdgasnetz handelt.

20. Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) zur Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage und zur Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor (6) entstehenden methanhaltigen Gases um eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) zur Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage, zur Steuerung und Regelung der Rückfuhr von Kohlendioxid in den anaeroben Bioreaktor (6) und zur Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor (6) entstehenden methanhaltigen Gases handelt.

21 . Verfahren zur Umwandlung von Energie mit den Schritten

Entnahme von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz (1 ) zur Versorgung einer Elektrolyseeinheit (4) mit elektrischer Energie,

elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser in der Elektrolyseeinheit (4),

Zufuhr des in der Elektrolyseeinheit (4) erzeugten Wasserstoffs in den anaeroben Bioreaktor (6) einer Kläranlage,

- Umsetzung zumindest eines Teils des in der Elektrolyseeinheit (4) erzeugten Wasserstoffs in dem anaeroben Bioreaktor (6) mit in dem anaeroben Bioreaktor (6) anwesendem Kohlendioxid zu einem methanhaltigen Gas, Entnahme zumindest eines Teils des in dem Bioreaktor (6) entstehenden methanhaltigen Gases durch eine an dem Bioreaktor (6) vorgesehene Abführvorrichtung (9),

Zufuhr des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases in eine Vorrichtung zur Verwertung (18) und/oder Speicherung (24) des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases,

- Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ),

- Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor (6) entstehenden methanhaltigen Gases durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ).

22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz (1 ) zur Versorgung einer Elektrolyseeinheit (4) mit elektrischer Energie diskontinuierlich erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz (1 ) zur Versorgung einer Elektrolyseeinheit (4) mit elektrischer Energie zum Zeitpunkt einer im öffentlichen Stromnetz (1 ) vorhandenen Strom Überkapazität erfolgt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherung des von der Elektrolyseeinheit (4) erzeugten Wasserstoffs erfolgt. 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr des in der Elektrolyseeinheit (4) erzeugten Wasserstoffs in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage unter erhöhtem Druck erfolgt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückfuhr von Kohlendioxid, das intern aus dem Energieumwandlungssystem stammt, in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage erfolgt.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feinverteilung von Wasserstoff in dem anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage erfolgt. 28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine gesteuerte Entnahme der aus dem öffentlichen Stromnetz (1 ) zur Versorgung der Elektrolyseeinheit (4) entnommenen elektrischen Energie mit Hilfe eines Netzreglers (2) erfolgt. 29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Entnahme von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz (1 ) eine negative Regelenergie bereitgestellt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragung thermischer Energie von der Elektrolyseeinheit (4) auf den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage durch einen Wärmetauscher (8) erfolgt.

31 . Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Zusammensetzung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases durchgeführt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung des Anteils an CH₄ und/oder C0₂ und/oder H₂ und/oder 0₂ und/oder N₂ und/oder H₂S durchgeführt wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Menge des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases durchgeführt wird. 34. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasserstoff in den Faulschlamm des anaeroben Bioreaktors (6) erfolgt.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases in den Bioreaktor (6) erfolgt. 36. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfuhr von Kohlendioxid in den Faulschlamm des anaeroben Bioreaktors (6) erfolgt.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwertung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen

Gases mit Hilfe einer oder mehreren Einheiten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gasmotoren, Gasturbinen, Mikrogasturbinen, Gasbrenner, Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung insbesondere Blockheizkraftwerke (BHKW) erfolgt.

38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Verwertung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases erzeugte elektrische Energie in das öffentliche Stromnetz (1 ) eingespeist wird. 39. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Verwertung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases entstehende Kohlendioxid-haltige Gas in den Bioreaktor (6) rückgeführt wird. 40. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Verwertung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases entstehende thermische Energie zur Temperierung de Klärschlamms, zur Trocknung des Klärschlammrückstandes und/oder zur Einspeisung in ein Fernwärmenetz verwendet wird.

41 . Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser in der Elektrolyseeinheit (4) entstehende Sauerstoff dem aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases vor dessen Verwertung zugemischt wird.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufbereitung und eine Konditionierung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases erfolgen.

43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufbereitung und der Konditionierung des aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gases eine Einspeisung des Gases in das öffentliche Erdgasnetz erfolgt.

44. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ), eine Steuerung und Regelung der Rückfuhr von Kohlendioxid in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) und eine Steuerung und Regelung der Entnahme des im Bioreaktor (6) entstehenden methanhaltigen Gases durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) erfolgt.

47. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) derart erfolgt, dass mit einem zunehmenden Anteil an Kohlendioxid in dem aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gas eine Erhöhung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage erfolgt.

46. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) derart erfolgt, dass bei fehlendem Kohlendioxid in dem aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gas keine Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage erfolgt.

47. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Elektrolyse (4) entstehende Wasserstoff in einen Speicher geleitet wird. 48. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Regelung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage durch eine Steuer- und Regelungseinheit (1 1 ) derart erfolgt, dass mit einem zunehmenden Anteil an Wasserstoff in dem aus dem Bioreaktor (6) entnommenen methanhaltigen Gas eine Verminderung der Zufuhr von Wasserstoff in den anaeroben Bioreaktor (6) der Kläranlage erfolgt.

49. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Elektrolyse (4) entstehende Wasserstoff in einen Speicher geleitet wird.