WO2015096829A1 - Biogasproduktionsverfahren und biogasproduktionsvorrichtung - Google Patents

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WO2015096829A1
WO2015096829A1 PCT/DE2014/100430 DE2014100430W WO2015096829A1 WO 2015096829 A1 WO2015096829 A1 WO 2015096829A1 DE 2014100430 W DE2014100430 W DE 2014100430W WO 2015096829 A1 WO2015096829 A1 WO 2015096829A1
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heat exchange
temperature
flow
biogas production
fermentation tank
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PCT/DE2014/100430
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Alexander SZIBURIES
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Agratec Invest Ag
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12M29/02—Percolation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
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    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/22—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes in contact with the bioreactor walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a biogas production process and a
  • Biogas production device In the production of biogas biomass is introduced into a fermenter and produced by fermentation within the fermenter biogas, which is removed from the fermenter and further processed. A distinction is made between wet fermentation and dry fermentation. At a
  • Dry fermenter the moisture content in the fermentation mass in the fermenter is much lower than in a wet fermenter. This has the consequence that a temperature compensation between different areas in the fermenter takes place only very slowly. To an air conditioning system for heating and / or cooling of the fermenter are in the case of a dry fermenter therefore particularly high demands to make.
  • thermophilic range Particularly profitable is the operation of the fermenter in the so-called thermophilic range.
  • the preferred temperature range for the microorganisms significantly involved in the fermentation is about 50 ° C. If in the following is spoken of itself in the fermenter microorganisms, then of such microorganisms, in particular
  • thermophilic area Bacterial strains, the speech promoted specifically for fermentation in the thermophilic area. If the temperature in the fermenter or in a section of the fermenter leaves the thermophilic area, then the result is that the microorganisms there work less efficiently or even die off.
  • the feed or feed rate can be increased.
  • the feed rate is the amount Biomass that is fed to a fermenter within a certain period of time.
  • the temperature in the fermenter may increase very rapidly due to exothermic fermentation processes. In warm seasons, this process is accelerated due to increased outside temperatures, so that it can lead here within a few days to overheating of microorganisms and thus the collapse of gas production and death of biology.
  • thermophile range To provide biogas production apparatus, which can be operated safely and efficiently in the thermophile range.
  • the object is achieved according to the invention by a biogas production process with the features of claim 1 and by a
  • the invention is based on the consideration of the temperature in the
  • Heat exchange device provided, which allows heating or cooling as needed.
  • one or more heat exchange bodies are arranged in the fermentation tank, which are from a
  • Air conditioning fluid are flowed through.
  • the heat exchange body has a heat exchange surface via which a temperature exchange between the contents of the fermentation tank and the air conditioning fluid
  • the air conditioning fluid is thus introduced as a flow with a flow temperature in the heat exchange body and leaves the heat exchange body as reflux after it has either absorbed heat from the fermentation tank or heat in the
  • the flow temperature is thus temporarily larger during the biogas production process and temporarily smaller than a prevailing in the fermentation tank actual temperature.
  • the heat exchange body may be arranged on or in a container wall.
  • a container wall of the fermentation tank can itself as
  • Heat exchange body be designed by the container wall is provided with channels for guiding the air conditioning fluid. Furthermore, one or more heat exchange bodies may be arranged on or in the container bottom.
  • a controller is responsible for determining the actual temperature and automatically operate the heat exchange device. In this case, the controller can decide whether air conditioning fluid should ever be introduced into the heat exchange body and / or which
  • Flow temperature to be selected make dependent on a single actual temperature or a course of the actual temperature up to this time. For example, if the temperature in the
  • Fermentation container is to be kept within a temperature range, then the controller can already on a tendziell
  • the air conditioning liquid is preferably substantially or predominantly water, but may contain additives such as
  • Salt water can be used as the air conditioning fluid.
  • the fermentation tank is operated in a thermophilic area.
  • the here relevant microorganisms ie in particular the bacteria for which the biogas production process or the
  • Biogas production device are designed to thrive in a temperature range between about 45 ° C and about 55 ° C. Consequently, the
  • the fermentation vessel is operated in this temperature range, more preferably in a temperature range between about 48 ° C and about 53 ° C or between about 49 ° C and about 52 ° C.
  • the continuous or incremental feeding of the fermentation tank carried out in the biogas production process is carried out with a
  • Fermenter designs are used, including wet fermenter.
  • wet fermenter In a preferred embodiment it is provided that the
  • Fermentation tank is operated as a dry fermentation tank.
  • the introduced substrate in a dry fermentation to a dry matter content of about 15% or more.
  • the introduced substrate is not pumpable but stackable and has a dry matter content of about at least 15%, from 25% to 45%, from 30% or more.
  • the fermentation vessel preferably has a length of about 35 to 50 meters, preferably about 40 to 45 meters.
  • the actual temperature is measured at a wall region of the fermentation container.
  • one or more temperature sensors are arranged on the wall region. If a plurality of temperature sensors are provided, then the actual temperature can be detected at different positions in the container, wherein these different actual temperatures can then be supplied to the same or different control circuits.
  • a fermenter is a very sluggish system and this inertia increases with fermenter size. Therefore, it may be advantageous to determine temperature changes with a time delay.
  • a plurality of temperature sensors are positioned in the fermenter, preferably at locations where the greatest temperature fluctuations are expected. For this reason, it is advisable to position three to six temperature sensors in the fermenter and to jointly evaluate the measured temperature values so that it is possible to respond to minimum and maximum temperatures and prevent overheating or cooling zones from forming.
  • Fermentation container temperature measurements at several temporally and / or spatially offset temperature measuring points are made and the actual temperature as an average of recorded in the temperature measurements
  • Temperature readings is determined. Mean means here is that the sensed temperature measured values are merged in a sensible way to an actual temperature that is meaningful for the actual state and / or for the future state of the system. This can be, for example, an arithmetic, a geometric or a harmonic
  • Time-offset temperature measurements can be recorded, for example, at intervals of several seconds or minutes or even hours.
  • Locally offset temperature measurement points may be detected by means of temperature sensors appropriately spaced on a container wall or on different container walls in a region of the container, for example at opposite positions along a container longitudinal direction.
  • Hot liquid temperature which is above the flow temperature
  • a cold liquid mixed with a cold liquid temperature which is below the flow temperature.
  • the mixing device is preferably controlled by means of a mixer control, which ensures that the desired flow temperature is continuously mixed together correctly. As a result, tolerances in the temperatures of the cold liquid and / or the hot liquid can be allowed.
  • Air conditioning liquid is provided and / or that the cold liquid is provided by cooling the withdrawn as a return from the heat exchange body air conditioning fluid.
  • heating and cooling of the return it is meant that part of the return is cooled and another part is heated.
  • Heating of the return takes place in a heating device, for example by means of a boiler.
  • the cooling of the return takes place in a
  • Cooling device preferably by means of a table cooler, which may be arranged for example on the roof of the fermentation tank.
  • the heat exchange body, the heating device and the cooling device form a closed fluid circuit for the air conditioning fluid.
  • the energy for the heating of the air conditioning liquid is provided for the hot liquid and / or for the cooling of the
  • Biogas production device itself obtained, in particular from the
  • Heat exchange device comprises two or more heat exchange body, in which the air conditioning fluid is introduced as a flow.
  • Heat exchange bodies are preferably on container walls of the
  • Fermentation container arranged. They can be arranged side by side and / or one above the other. In an advantageous embodiment it is provided that the introduction of the flow into each heat exchange body is automatically controlled by means of a flow valve.
  • At least one further heat exchange device is controlled automatically such that a further actual temperature is determined in the fermentation tank and a further air conditioning fluid is introduced as a further flow into another heat exchange body such that the content of
  • Fermentation tank is thermally influenced by the air conditioning fluid via a further heat exchange surface of the heat exchange body, the further flow has a further flow temperature, which is temporarily larger and temporarily smaller than the other actual temperature.
  • the above-described heat exchange apparatus and the other heat exchange apparatus mentioned herein may be independently controlled.
  • a temperature zone control can be realized by at different areas or zones of the
  • Fermentation container arranged heat exchange body with something
  • Fig. 1 shows a biogas production apparatus comprising a
  • Fermentation container with a plurality of heat exchange bodies arranged along container walls;
  • Fig. 2 shows the positions of temperature sensors in the fermentation tank of the biogas production apparatus of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of components of a
  • Biogas production device to illustrate a biogas production process carried out herewith.
  • aorfermentations employer 1 is shown schematically.
  • Thenfermentations capableer 1 has a total of eight heat exchange body 21, 22, 23, 24, 21 ', 22', 23 ', 24'.
  • four heat exchange bodies 21, 22, 23, 24 are arranged along a longitudinal wall of the dry fermentation container 1, and four further heat exchange bodies 21 ', 22', 23 ', 24' on an opposite longitudinal wall symmetrically to the heat exchange bodies 21, 22, 23, 24 ,
  • Biogas production apparatus shown in FIG. 2. These are two feed openings 12, 13 which are located on one end face of the
  • Dry fermentation vessel 1 are formed. Of the
  • Dry fermentation tank 1 is charged through the feed openings 12, 13 with a volume load of at least 8 kg / (m 3 d), for example with a volume load of about 16 kg / (m 3 d). Furthermore, a Gas removal opening 14 is provided, from which the biogas produced is removed from thefugfermentations agreeer 1.
  • a temperature sensor 111 is provided, which is arranged between the feed openings 12, 13.
  • a longitudinal wall oflutementationsbehalters 1 also five other temperature sensors
  • Dry fermentation tank 1 distributed. Furthermore, three temperature sensors 115, 113, 116 are arranged at different heights. The here cross-shaped arrangement of the temperature sensors 111, 112, 113, 114, 115, 116 is shown in FIG. 2 only by way of example. Depending on the version of the
  • Biogas production process a deviating arrangement may be appropriate.
  • the temperature values measured by means of the three temperature sensors 115, 113, 116 arranged one above the other can be combined to form a mean temperature value in order to obtain an actual temperature in a middle zone of the temperature range
  • Dry fermentation tank 1 while the other two temperature sensors 112, 114 show the course of the temperature along the length of thenfermentations mattersers 1.
  • FIG. 3 An embodiment of a biogas production method is explained below with reference to FIG. 3, in which the interaction of the components of a biogas production device is shown schematically.
  • Dry fermentation vessel 1 in FIG. 3 has three heat exchange bodies
  • Dry fermentation tank 1 can be influenced.
  • an air conditioning fluid is passed through the heat exchange body 21, 22, 23.
  • Air conditioning fluid added.
  • Each heat exchange body 21, 22, 23 has a flow valve 211, 221, 231, which the inlet of the air conditioning fluid in the respective
  • Heat exchange body 21, 22, 23 determines.
  • the flow valves 211, 221, 231 are controlled by a control device 7, as illustrated in Fig. 3 by dotted arrows.
  • Heat exchange body 21, 22, 23 is fed from a common flow 31, which in turn is provided by a mixing device 3.
  • the control of the mixing device 3 assumes a mixer control 6, which is controlled by means of the control device 7.
  • a temperature sensor 111 is arranged, which has a temperature value within the
  • Forwarding control device 7 This process is illustrated by another dotted arrow.
  • the control device 7 then controls the mixer control 6 and the flow valves 211, 221, 231.
  • the control device 7 controls the temperature and the flow rate in the
  • Heat exchange body 21, 22, 23 incoming air conditioning fluid.
  • the air conditioning fluid leaves the heat exchange body 21, 22, 23 as a common return 32.
  • Part of the return 32 is a
  • Warming device 4 for example, a boiler supplied, and heated to a certain temperature.
  • This heated air-conditioning liquid is supplied as a hot liquid 34 of the mixing device 3.
  • Another part of the return 32 is a cooling device 5, for example a
  • This cooled air conditioning fluid is called
  • Cold liquid 35 of the mixing device 3 is supplied. From the hot liquid 34 and the cold liquid 35 mixes the mixing device 3, regulated by the Mixer control 6, the flow 6 together with the desired flow temperature.
  • 21 ', 22', 23 ', 24' further heat exchange body 211, 221, 231 flow valve

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Biogasproduktionsverfahren und eine Biogasproduktionsvorrichtung. Bei dem Biogasproduktionsverfahren wird ein Fermentationsbehälter (1) mit einer Raumbelastung von mindestens 8 Kilogramm pro Kubikmeter und Tag (kg/(m3d)) beschickt und in einem thermophilen Bereich betrieben, wobei eine Wärmetauschvorrichtung derart automatisch gesteuert wird, dass eine Ist-Temperatur in dem Fermentationsbehälter (1) ermittelt und eine Klimatisierungsflüssigkeit als Vorlauf in einen Wärmetauschkörper (2) derart eingeführt wird, dass ein Inhalt des Fermentationsbehälters (1) mittels der Klimatisierungsflüssigkeit über eine Wärmetauschfläche des Wärmetauschkörpers (2) thermisch beeinflusst wird, wobei der Vorlauf eine Vorlauftemperatur aufweist, welche zeitweise größer und zeitweise kleiner ist, als die Ist-Temperatur.

Description

Titel:
Biogasproduktionsverfahren und Biogasproduktionsvorrichtung Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Biogasproduktionsverfahren und eine
Biogasproduktionsvorrichtung. Bei der Produktion von Biogas wird in einem Fermenter Biomasse eingeführt und mittels Vergärung innerhalb des Fermenters Biogas erzeugt, welches aus dem Fermenter entnommen und weiterbearbeitet wird. Es wird unterschieden zwischen Nassfermentation und Trockenfermentation. Bei einem
Trockenfermenter ist der Feuchtigkeitsgehalt in der Fermentationsmasse im Fermenter wesentlich geringer, als bei einem Nassfermenter. Dies hat zur Folge, dass ein Temperaturausgleich zwischen unterschiedlichen Bereichen in dem Fermenter nur sehr langsam stattfindet. An ein Klimatisierungssystem zum Heizen und /oder Kühlen des Fermenters sind im Fall eines Trockenfermenters daher besonders hohe Ansprüche zu stellen.
Besonders ertragreich ist das Betreiben des Fermenters im sogenannten thermophilen Bereich. Hierbei liegt der bevorzugte Temperaturbereich für die maßgeblich an der Fermentation beteiligten Mikroorganismen bei etwa 50° C. Wenn im Folgenden von sich in dem Fermenter befindlichen Mikroorganismen gesprochen wird, dann ist von solchen Mikroorganismen, insbesondere
Bakterienstämmen, die Rede, die gezielt für die Fermentation im thermophilen Bereich gefördert werden. Verlässt die Temperatur in dem Fermenter oder in einem Abschnitt des Fermenters den thermophilen Bereich, dann hat dies zur Folge, dass die Mikroorganismen dort weniger effizient arbeiten oder sogar absterben.
Um den Biogasertrag aus dem Fermenter zu erhöhen, kann die Beschickung oder Beschickungsrate erhöht werden. Die Beschickungsrate ist die Menge an Biomasse, die innerhalb eines bestimmten Zeitraumes einem Fermenter zugeführt wird. Bei einer hohen Beschickung kann jedoch die Temperatur in dem Fermenter aufgrund exothermer Vergärungsprozesse besonders schnell steigen. In warmen Jahreszeiten wird dieser Vorgang aufgrund erhöhter Außentemperaturen noch beschleunigt, so dass es hier innerhalb weniger Tage zu einer Überhitzung der Mikroorganismen und damit zum Zusammenbruch der Gasproduktion und Absterben der Biologie führen kann.
Einer drohenden Überhitzung wird in der Regel dadurch entgegengewirkt, dass die Beschickung vermindert wird. In besonderen Fällen muss die Fütterung für mehrere Tage eingestellt werden, oder es muss aus Nachgärern oder anderen Behältern Fugat oder schon vergorenes Gärsubstrat mit geringerer Temperatur in den Fermenter eingefüllt werden. In Extremfällen muss kaltes Wasser in den Fermenter eingefüllt werden, um den Temperaturanstieg zu bremsen. Jede dieser Maßnahmen führt auf jeden Fall zu Einbrüchen in der Gasproduktion und gegebenenfalls zu weiteren biologischen Schäden, die dann als Langzeitfolgen über längere Zeit bestehen bleiben. Zudem kann es bei Einführung von kaltem Wasser zu schockartigen Zuständen kommen, bei denen eine
Temperaturspreizung auftritt und es aufgrund thermischer Spannungen sogar zu Schäden am Baukörper kommen kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Biogasproduktionsverfahren und eine
Biogasproduktionsvorrichtung bereitzustellen, welche sicher und effizient im thermophilen Bereich betrieben werden kann.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Biogasproduktionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine
Biogasproduktionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die Temperatur in dem
Fermentationsbehälter fortwährend zu beobachten und in Abhängigkeit vom beobachteten Temperaturverlauf den Fermentationsbehälter oder Abschnitte hiervon zu kühlen oder auch zu heizen. Es ist also eine
Wärmetauschvorrichtung vorgesehen, die je nach Bedarf eine Heizung oder eine Kühlung erlaubt. Hierzu sind in dem Fermentationsbehälter ein oder mehrere Wärmetauschkörper angeordnet, die von einer
Klimatisierungsflüssigkeit durchflössen werden. Der Wärmetauschkörper weist eine Wärmetauschfläche auf, über die ein Temperaturaustausch zwischen dem Inhalt des Fermentationsbehälters und der Klimatisierungsflüssigkeit
stattfindet. Die Klimatisierungsflüssigkeit wird also als Vorlauf mit einer Vorlauftemperatur in den Wärmetauschkörper eingeführt und verlässt den Wärmetauschkörper als Rücklauf, nachdem sie entweder Wärme aus dem Fermentationsbehälter aufgenommen hat oder Wärme in den
Fermentationsbehälter abgegeben hat. Die Vorlauftemperatur ist also während des Biogasproduktionsverfahrens zeitweise größer und zeitweise kleiner, als eine in dem Fermentationsbehälter vorherrschende Ist-Temperatur.
Der Wärmetauschkörper kann an oder in einer Behälterwand angeordnet sein. Eine Behälterwand des Fermentationsbehälters kann selbst als
Wärmetauschkörper ausgestaltet sein, indem die Behälterwand mit Kanälen zur Leitung der Klimatisierungsflüssigkeit versehen ist. Ferner können ein oder mehrere Wärmetauschkörper am oder im Behälterboden angeordnet sein.
Eine Steuerung ist dafür verantwortlich, die Ist-Temperatur zu ermitteln und automatisch die Wärmetauschvorrichtung zu betreiben. Hierbei kann die Steuerung die Entscheidung, ob überhaupt Klimatisierungsflüssigkeit in den Wärmetauschkörper eingeleitet werden soll und /oder welche
Vorlauftemperatur gewählt werden soll, von einer einzelnen Ist-Temperatur oder aber von einem Verlauf der Ist-Temperatur bis zu diesem Zeitpunkt abhängig machen. Wenn beispielsweise die Temperatur in dem
Fermentationsbehälter innerhalb eines Temperaturbereiches gehalten werden soll, dann kann die Steuerung bereits auf einen tendenziellen
Temperaturverlauf reagieren, obwohl der gewünschte Temperaturbereich noch nicht verlassen wurde. Die Klimatisierungsflüssigkeit besteht vorzugsweise im Wesentlichen oder überwiegend aus Wasser, kann jedoch Zusatzstoffe enthalten, wie
beispielsweise bestimmte Öle. Als Klimatisierungsflüssigkeit kann Salzwasser genutzt werden.
Der Fermentationsbehälter wird in einem thermophilen Bereich betrieben. Das bedeutet, dass die hier maßgeblichen Mikroorganismen, also insbesondere die Bakterien, für die das Biogasproduktionsverfahren beziehungsweise die
Biogasproduktionsvorrichtung ausgelegt sind, in einem Temperaturbereich zwischen etwa 45 °C und etwa 55 °C gedeihen. Folglich wird der
Fermentationsbehälter vorzugsweise in diesem Temperaturbereich betrieben, eher bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen etwa 48 °C und etwa 53 °C oder zwischen etwa 49 °C und etwa 52 °C.
Die beim Biogasproduktionsverfahren durchgeführte kontinuierliche oder stufenweise Beschickung des Fermentationsbehälter erfolgt mit einer
Raumbelastung von mindestens 8 Kilogramm pro Kubikmeter und Tag
(kg/(m3d)), vorzugsweise mit einer Raumbelastung von mindestens 10, 12 oder 14 kg/(m3d) bezogen auf das Volumen des Fermentationsbehälters.
Das hier beschriebene Verfahren kann zusammen mit unterschiedlichen
Fermentergestaltungen eingesetzt werden, darunter auch Nassfermenter. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen dass der
Fermentationsbehälter als Trockenfermentationsbehälter betrieben wird.
Hiervon spricht man in der Regel, wenn das Substrat ohne weitere Zugabe von Flüssigkeit eingebracht wird. Vorzugsweise weist das eingebrachte Substrat bei einer Trockenfermentation einen Trockensubstanzanteil von etwa 15% oder mehr auf. Bei einer hier bevorzugten Definition für Trockenfermentation ist das eingebrachte Substrat nicht pumpfähig, aber stapelbar und weist einen Trockensubstanzanteil von etwa mindestens 15%, von 25% bis 45%, von 30% oder mehr auf. Der Fermentationsbehälter hat bevorzugterweise eine Länge von etwa 35 bis 50 Metern, vorzugsweise von etwa 40 bis 45 Metern.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen dass die Ist-Temperatur an einem Wandbereich des Fermentationsbehälters gemessen wird. Hierzu sind an dem Wandbereich ein oder mehrere Temperatursensoren angeordnet. Wenn mehrere Temperatursensoren vorgesehen sind, dann kann die Ist-Temperatur an unterschiedlichen Positionen im Behälter erfasst werden, wobei diese unterschiedlichen Ist-Temperaturen dann dem gleichen oder unterschiedlichen Steuerkreisen zugeführt werden können.
Es ist zu beachten, dass ein Fermenter ein sehr träges System ist und diese Trägheit mit der Fermentergröße zunimmt. Deswegen kann es von Vorteil sein, Temperaturveränderungen zeitverzögert zu ermitteln. Vorzugsweise sind mehrere Temperatursensoren im Fermenter positioniert, bevorzugterweise an Orten, an denen mit den größten Temperaturschwankungen zu rechnen ist. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, drei bis sechs Temperatursensoren im Fermenter zu positionieren und die gemessenen Temperaturwerte gemeinsam auszuwerten, so dass auf Tiefst- und Höchsttemperaturen reagiert werden kann und es sich keine Zonen mit Überhitzung oder Abkühlung ausbilden können.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem
Fermentationsbehälter Temperaturmessungen an mehreren zeitlich und/oder örtlich versetzten Temperaturmesspunkten vorgenommen werden und die Ist- Temperatur als Mittelwert von bei den Temperaturmessungen erfassten
Temperaturmesswerten ermittelt wird. Mit Mittelwert ist hierbei gemeint, dass die erfassten Temperaturmesswerte auf sinnvoll Wiese zu einer Ist-Temperatur zusammengeführt werden, die für den Ist-Zustand und/oder für den künftigen Zustand des Systems aussagekräftig ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen arithmetischen, einen geometrischen oder einen harmonischen
Mittelwert handeln. Zeitlich versetzte Temperaturmessungen können beispielsweise in zeitlichen Abständen von mehreren Sekunden oder Minuten oder sogar von Stunden erfasst werden. Örtlich versetzte Temperaturmesspunkte können mittels Temperatursensoren erfasst werden, die entsprechend beabstandet an einer Behälterwand oder an unterschiedlichen Behälterwänden in einem Bereich des Behälters angeordnet sind, beispielsweise an gegenüberliegenden Positionen entlang einer Behälterlängsrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Vorlauf in einer Mischvorrichtung aus einer Warmflüssigkeit mit einer
Warmflüssigkeitstemperatur, welche über der Vorlauftemperatur liegt, und einer Kaltflüssigkeit mit einer Kaltflüssigkeitstemperatur zusammengemischt wird, welche unter der Vorlauftemperatur liegt. Die Mischvorrichtung wird vorzugsweise mittels einer Mischerregelung geregelt, der dafür sorgt, dass die gewünschte Vorlauftemperatur fortlaufend korrekt zusammengemischt wird. Hierdurch können Toleranzen in den Temperaturen der Kaltflüssigkeit und/oder der Warmflüssigkeit zugelassen werden.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Warmflüssigkeit mittels Erwärmung der als Rücklauf aus dem Wärmetauschkörper entnommenen
Klimatisierungsflüssigkeit bereitgestellt wird und / oder dass die Kaltflüssigkeit mittels Abkühlung der als Rücklauf aus dem Wärmetauschkörper entnommenen Klimatisierungsflüssigkeit bereitgestellt wird. Wenn sowohl eine Erwärmung als auch eine Abkühlung des Rücklaufs erfolgt, dann ist damit gemeint, dass ein Teil des Rücklaufs abgekühlt und ein anderer Teil erwärmt wird. Die
Erwärmung des Rücklaufs erfolgt in einer Wärmevorrichtung, beispielsweise mittels eines Heizkessels. Die Abkühlung des Rücklaufs erfolgt in einer
Kühlvorrichtung, vorzugsweise mittels eines Tischkühlers, der beispielsweise auf dem Dach des Fermentationsbehälters angeordnet sein kann. Vorzugsweise bilden der Wärmetauschkörper, die Wärmevorrichtung und die Kühlvorrichtung einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf für die Klimatisierungsflüssigkeit. Vorzugsweise wird die Energie für die Erwärmung der Klimatisierungsflüssigkeit zur Bereitgestellt der Warmflüssigkeit und / oder für die Abkühlung der
Klimatisierungsflüssigkeit zur Bereitgestellt der Kaltflüssigkeit aus der
Biogasproduktionsvorrichtung selbst gewonnen, insbesondere aus der
Verbrennung des während des Biogasproduktionsverfahrens gewonnenen Biogases.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die
Wärmetauschvorrichtung zwei oder mehrere Wärmetauschkörper aufweist, in welche die Klimatisierungsflüssigkeit als Vorlauf eingeführt wird. Die
Wärmetauschkörper sind vorzugsweise an Behälterwänden des
Fermentationsbehälters angeordnet. Sie können nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen dass das Einführen des Vorlaufs in jeden Wärmetauschkörper mittels eines Vorlaufventils automatisch gesteuert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest eine weitere Wärmetauschvorrichtung derart automatisch gesteuert wird, dass eine weitere Ist-Temperatur in dem Fermentationsbehälter ermittelt und eine weitere Klimatisierungsflüssigkeit als weiterer Vorlauf in einen weiteren Wärmetauschkörper derart eingeführt wird, dass der Inhalt des
Fermentationsbehälters mittels der Klimatisierungsflüssigkeit über eine weitere Wärmetauschfläche des Wärmetauschkörpers thermisch beeinflusst wird, wobei der weitere Vorlauf eine weitere Vorlauftemperatur aufweist, welche zeitweise größer und zeitweise kleiner ist, als die weitere Ist-Temperatur. Die oben beschriebene Wärmetauschvorrichtung und die hier erwähnte weitere Wärmetauschvorrichtung können unabhängig voneinander gesteuert sein.
Hierbei können die Klimatisierungsflüssigkeit und die weitere
Klimatisierungsflüssigkeit in unterschiedlichen Kreisläufen fließen. Hierdurch kann vorzugsweise eine Temperatur-Zonensteuerung verwirklicht werden, indem an unterschiedlichen Bereichen oder Zonen des
Fermentationsbehälters angeordnete Wärmetauschkörper mit etwas
abweichenden Vorlauftemperaturen angesteuert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Biogasproduktionsvorrichtung umfassend einen
Fermentationsbehälter mit mehreren entlang von Behälterwänden angeordneten Wärmetauschkörpern;
Fig. 2 die Positionen von Temperatursensoren in dem Fermentationsbehälter der Biogasproduktionsvorrichtung aus Fig. 1 ; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung von Komponenten einer
Biogasproduktionsvorrichtung zur Veranschaulichung eines hiermit durchgeführten Biogasproduktionsverfahrens.
In der Fig. 1 wird ein Trockenfermentationsbehälter 1 schematisch dargestellt. Der Trockenfermentationsbehälter 1 weist insgesamt acht Wärmetauschkörper 21 , 22, 23, 24, 21 ', 22', 23', 24' auf. Hiervon sind vier Wärmetauschkörper 21 , 22, 23, 24 entlang einer Längswand des Trockenfermentationsbehälters 1 angeordnet, und vier weitere Wärmetauschkörper 21 ', 22', 23', 24' auf einer gegenüber liegenden Längswand symmetrisch zu den Wärmetauschkörpern 21 , 22, 23, 24.
Um die Fig. 1 nicht zu überfrachten, sind weitere Elemente der
Biogasproduktionsvorrichtung in der Fig. 2 dargestellt. Hierbei handelt es sich um zwei Beschickungsöffnungen 12, 13, die an einer Stirnseite des
Trockenfermentationsbehälter 1 gebildet sind. Der
Trockenfermentationsbehälter 1 wird durch die Beschickungsöffnungen 12, 13 mit einer Raumbelastung von mindestens 8 kg/(m3d) beschickt, beispielsweise mit einer Raumbelastung von etwa 16 kg/(m3d). Ferner ist eine Gasentnahmeöffnung 14 vorgesehen, aus der das erzeugte Biogas aus dem Trockenfermentationsbehälter 1 entnommen wird.
An der Stirnseite ist auch ein Temperatursensor 111 vorgesehen, der zwischen den Beschickungsöffnungen 12, 13 angeordnet ist. Entlang einer Längswand des Trockenfermentationsbehalters 1 sind zudem fünf weitere Temperatursensoren
112, 113, 114, 115, 116 angeordnet. Hierbei sind drei Temperatursensoren 112,
113, 114 auf gleicher Höhe entlang der Länge des
Trockenfermentationsbehälters 1 verteilt. Ferner sind drei Temperatursensoren 115, 113, 116 auf unterschiedlichen Höhen angeordnet. Die hier kreuzförmige Anordnung der Temperatursensoren 111 , 112, 113, 114, 115, 116 ist in der Fig. 2 lediglich beispielhaft dargestellt. Je nach Ausführung des
Biogasproduktionsverfahrens kann eine hiervon abweichende Anordnung zweckmäßig sein.
In der Anordnung gemäß Fig. 2 können beispielsweise die mittels der drei übereinander angeordneten Temperatursensoren 115, 113, 116 gemessenen Temperaturwerte zu einem Temperaturmittelwert zusammengefügt werden, um eine Ist-Temperatur in einer mittleren Zone des
Trockenfermentationsbehälters 1 wiederzugeben, während die beiden anderen Temperatursensoren 112, 114 den Verlauf der Temperatur entlang der Länge des Trockenfermentationsbehälters 1 zeigen.
Eine Ausführungsform eines Biogasproduktionsverfahrens wird im Folgenden Anhand der Fig. 3 erläutert, in der das Zusammenwirken der Komponenten einer Biogasproduktionsvorrichtung schematisch dargestellt wird. Der
Trockenfermentationsbehälter 1 in der Fig. 3 weist drei Wärmetauschkörper
21 , 22, 23 auf, mittels derer die Temperatur in dem
Trockenfermentationsbehälter 1 beeinflusst werden kann. Hierzu wird eine Klimatisierungsflüssigkeit durch die Wärmetauschkörper 21 , 22, 23 geleitet.
Über Wärmetauschflächen eines jeden Wärmetausch körpers 21 , 22, 23 wird entweder Wärme von der Klimatisierungsflüssigkeit an den Inhalt des Trockenfermentationsbehälters 1 abgegeben oder von diesem durch die
Klimatisierungsflüssigkeit aufgenommen.
Jeder Wärmetauschkörper 21 , 22, 23 weist ein Vorlaufventil 211 , 221 , 231 auf, welches den Zulauf der Klimatisierungsflüssigkeit in den jeweiligen
Wärmetauschkörper 21 , 22, 23 bestimmt. Die Vorlaufventile 211 , 221 , 231 werden durch eine Steuervorrichtung 7 gesteuert, wie in Fig. 3 mittels gepunkteten Pfeilen veranschaulicht wird. Der Zulauf zu jedem
Wärmetauschkörper 21 , 22, 23 wird aus einem gemeinsamen Vorlauf 31 gespeist, der wiederum durch eine Mischvorrichtung 3 bereitgestellt wird. Die Regelung der Mischvorrichtung 3 übernimmt eine Mischerregelung 6, die mittels der Steuervorrichtung 7 gesteuert wird.
In dem Trockenfermentationsbehälter 1 ist ein Temperatursensor 111 angeordnet, der einen Temperaturwert innerhalb des
Trockenfermentationsbehälters 1 erfasst und als Ist-Temperatur an die
Steuervorrichtung 7 weiterleitet. Dieser Vorgang ist anhand eines weiteren gepunkteten Pfeils dargestellt. Die Steuervorrichtung 7 steuert daraufhin die Mischerregelung 6 sowie die Vorlaufventile 211 , 221 , 231. Somit kontrolliert die Steuervorrichtung 7 die Temperatur und die Durchflussmenge der in die
Wärmetauschkörper 21 , 22, 23 einströmenden Klimatisierungsflüssigkeit.
Die Klimatisierungsflüssigkeit verlässt die Wärmetauschkörper 21 , 22, 23 als gemeinsamer Rücklauf 32. Ein Teil des Rücklaufs 32 wird einer
Wärmevorrichtung 4, beispielsweise einem, Heizkessel, zugeführt und auf eine bestimmte Temperatur erwärmt. Diese erwärmte Klimatisierungsflüssigkeit wird als Warmflüssigkeit 34 der Mischvorrichtung 3 zugeführt. Ein weiterer Teil des Rücklaufs 32 wird einer Kühlvorrichtung 5, beispielsweise einem
Tischkühler, zugeführt und dort auf eine bestimmte Temperatur
heruntergekühlt. Diese gekühlte Klimatisierungsflüssigkeit wird als
Kaltflüssigkeit 35 der Mischvorrichtung 3 zugeführt. Aus der Warmflüssigkeit 34 und der Kaltflüssigkeit 35 mischt die Mischvorrichtung 3, geregelt durch die Mischerregelung 6, den Vorlauf 6 mit der gewünschten Vorlauftemperatur zusammen.
Bezugszeichenliste:
1 Trockenfermentationsbehälter
111, 112, 113,
114, 115, 116 Temperatursensoren 12, 13 Beschickungsöffnung 14 Gasentnahmeöffnung
2, 21, 22, 23, 24 Wärmetauschkörper
21', 22', 23', 24' weitere Wärmetauschkörper 211, 221, 231 Vorlaufventil
3 Mischvorrichtung
31 Vorlauf
32 Rücklauf
34 Warmflüssigkeit
35 Kaltflüssigkeit
4 Wärmevorrichtung
5 Kühlvorrichtung
6 Mischerregelung
7 Steuervorrichtung

Claims

Patentansprüche:
1. Biogasproduktionsverfahren, bei dem ein Fermentationsbehälter (1 ) mit einer Raumbelastung von mindestens 8 Kilogramm pro Kubikmeter und Tag (kg/(m3d)) beschickt und in einem thermophilen Bereich betrieben wird, wobei eine Wärmetauschvorrichtung derart automatisch gesteuert wird, dass eine Ist-Temperatur in dem Fermentationsbehälter (1 ) ermittelt und eine Klimatisierungsflüssigkeit als Vorlauf in einen
Wärmetauschkörper (2) derart eingeführt wird, dass ein Inhalt des Fermentationsbehälters (1 ) mittels der Klimatisierungsflüssigkeit über eine Wärmetauschfläche des Wärmetausch körpers (2) thermisch beeinflusst wird, wobei der Vorlauf eine Vorlauftemperatur aufweist, welche zeitweise größer und zeitweise kleiner ist, als die Ist-Temperatur.
2. Biogasproduktionsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter (1 ) als Trockenfermentationsbehälter (1 ) betrieben wird.
3. Biogasproduktionsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ist-Temperatur an einem Wandbereich des Fermentationsbehälters (1 ) gemessen wird.
4. Biogasproduktionsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fermentationsbehälter (1 )
Temperaturmessungen an mehreren zeitlich und/oder örtlich versetzten Temperaturmesspunkten vorgenommen werden und die Ist-Temperatur als Mittelwert von bei den Temperaturmessungen erfassten
Temperaturmesswerten ermittelt wird.
5. Biogasproduktionsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf in einer Mischvorrichtung (3) aus einer Warmflüssigkeit mit einer Warmflüssigkeitstemperatur, welche über der Vorlauftemperatur liegt, und einer Kaltflüssigkeit mit einer Kaltflüssigkeitstemperatur zusammengemischt wird, welche unter der Vorlauftemperatur liegt.
6. Biogasproduktionsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmflüssigkeit mittels Erwärmung der als Rücklauf aus dem Wärmetauschkörper (2) entnommenen Klimatisierungsflüssigkeit bereitgestellt wird und / oder dass die Kaltflüssigkeit mittels Abkühlung der als Rücklauf aus dem Wärmetauschkörper (2) entnommenen
Klimatisierungsflüssigkeit bereitgestellt wird.
7. Biogasproduktionsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung mittels einer Mischerregelung (6) geregelt wird.
8. Biogasproduktionsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung zwei oder mehrere Wärmetauschkörper (21 , 22, 23) aufweist, in welche die
Klimatisierungsflüssigkeit als Vorlauf eingeführt wird.
9. Biogasproduktionsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einführen des Vorlaufs in jeden Wärmetauschkörper (2) mittels eines Vorlaufventils (211 ; 221 ; 231 ) automatisch gesteuert wird.
10. Biogasproduktionsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere
Wärmetauschvorrichtung derart automatisch gesteuert wird, dass eine weitere Ist-Temperatur in dem Fermentationsbehälter (1 ) ermittelt und eine weitere Klimatisierungsflüssigkeit als weiterer Vorlauf in einen weiteren Wärmetauschkörper (2) derart eingeführt wird, dass der Inhalt des Fermentationsbehälters (1 ) mittels der Klimatisierungsflüssigkeit über eine weitere Wärmetauschfläche des Wärmetauschkörpers (2) thermisch beeinflusst wird, wobei der weitere Vorlauf eine weitere Vorlauftemperatur aufweist, welche zeitweise größer und zeitweise kleiner ist, als die weitere Ist-Temperatur.
11. Biogasproduktionsvorrichtung mit einem Fermentationsbehälter (1 ) und einer Wärmetauschvorrichtung, welche einen Wärmetauschkörper (2) mit einer einen Inhalt des Fermentationsbehälters (1 ) thermisch
beeinflussenden Wärmetauschfläche und eine Steuerung (7) aufweist, wobei die Steuerung (7) ausgebildet ist, eine Ist-Temperatur in dem Fermentationsbehälter (1 ) zu ermittelt und eine Klimatisierungsflüssigkeit als Vorlauf in den Wärmetauschkörper (2) derart einzuführen, dass der Vorlauf eine Vorlauftemperatur aufweist, welche zeitweise größer und zeitweise kleiner ist, als die Ist-Temperatur.
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