WO2021228428A1

WO2021228428A1 - Kohlendioxidneutrale biokonverteranlagen zur herstellung von biogas mit wasserstoff und aktivierten kohlemassen in der gärflüssigkeit der biokonverter

Info

Publication number: WO2021228428A1
Application number: PCT/EP2021/000058
Authority: WO
Inventors: Sven Nefigmann
Original assignee: Sven Nefigmann
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2021-05-05
Publication date: 2021-11-18
Also published as: EP4146781A1; US20230279321A1; CA3185658A1; DE102020002755B4; DE102020002755A1

Abstract

Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) gemäß Figur 1, umfassend - mindestens einen Biokonverter (BK) zur einstufigen oder mehrstufigen Herstellung von Biogas (BG) durch Fermentation von Biomasse (BM) in einer mit Agitationsmitteln bewegten Gärflüssigkeit (GF) in der Gegenwart von elementarem Wasserstoff, hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen und aktivierten Kohlemassen (K; KM), - einen Ammoniakvorrat (NH3), der mit einer Ammoniakleitung (NH3L) mit - einem Ammoniakcracker (AC) zur Herstellung von Wasserstoff und Stickstoff (H2/N2) durch die katalytische Spaltung von Ammoniak verbunden ist, und - eine Leitung (LH2/N2) zur Einleitung des erzeugten Wasserstoffs (H2) oder des Wasserstoff-Stickstoff-Gemischs (H2/N2) in den mindestens einen Biokonverter (BK) und/oder - eine Vorrichtung (VBK) zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K; KM) mit Wasserstoff (H2) bei höherem Druck mit einer Druckleitung (25) und einer Sprühlanze (28) zur Injektion der wasserstoffhaltigen Kohlemassen (K; KM) in die Gärflüssigkeit (GF), wobei das Ammoniak mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt und der Ammoniakcracker (AC) mit erneuerbaren Energien betrieben wird; Konvertierungsverfahren, Verfahren zur Injektion von wasserstoffhaltigen Kohlemassen (H2K; H2KM) und Verwendung der Gärprodukte (KBM).

Description

Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlagen zur Herstellung von Biogas mit Wasserstoff und aktivierten Kohlemassen in der Gärflüssigkeit der Biokonverter

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft kohlendioxidneutrale Biokonverteranlagen zur Herstellung von Biogas mit elementarem Wasserstoff und aktivierten Kohlemassen in der Gärflüssigkeit der Biokonverter.

Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung kohlendioxidneutrale Konvertierungsverfahren zur Herstellung von Biogas in Biokonvertern von Biokonverteranlagen durch Fermentation von Biomasse in einer mit Agitationsmitteln bewegten Gärflüssigkeit in der Gegenwart von elementarem Wasserstoff, hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen und aktivierten Kohlemassen.

Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des durch die kohlendioxidneutralen Konvertierungsverfahren erzeugten konvertierten Biomassen und Gärprodukte und/oder den in dem Verfahren benutzten aktivierten Kohlemassen als Dünger oder zur Herstellung von Terra preta.

Stand der Technik

Um Methangas zu gewinnen, wird Biomasse in Biokonvertern anaerob fermentiert. Unter dem Begriff »Fermentierung« oder »Fermentation« wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Umsetzung von biologischen, insbesondere organischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze und/oder anderen Zellkulturen) verstanden. Eine Fermentation kann aber auch durch den Zusatz von stoffwechselaktivierten Enzymen oder anderen biologisch aktivierten Molekülen erfolgen, wie zum Beispiel Nährstoffsubstrate der Mikroorganismen. Die Fermentation kann sowohl aerobe Vorgänge, z.B. Essigsäuregärung, als auch anaerobe Vorgänge, z.B. Milchsäuregärung, einschließen.

In ihrem Artikel »Steigerung des Biogasertrages durch die Zugabe von Pflanzenkohle« in Müll und Abfall, 2014, Seiten 476 bis 480, beschreiben Dipl. Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger, M.Eng.- M.Sc. Waldemar Ganagin, Dipl. -Ing. agr. Andreas Krieg, B.SC. Christian Roth und Prof. Dring. Achim Loewen die Steigerung des Biogasertrages durch die Zugabe von Pflanzenkohle.

1

BESTÄTIGUNGSKOPIE In diesem Artikel wird deutlich, dass durch das Hinzufügen von großen Kohlepartikeln in den Nachgärer der Mehrertrag von Methangase innerhalb von 91 Tagen um 24% gestiegen ist.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2014 111 287 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Methan in Biokonvertern aus Biomasse, bei dem Wasserstoff den Biokonvertern zugeführt wird. Der Wasserstoff wird vorzugsweise durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen. Die Mitverwendung von aktivierten Kohlemassen wird nicht beschrieben.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 012 436 A1 offenbart die Verwendung von Kohlenanopartikel, Kohlemikropartikel und/oder Kohlemakropartikel zur Wachstumsförderung von Mikroorganismen und/oder zur Steigerung des Metabolismus und/oder Katabolismus und/oder Anabolismus und/oder zur Steigerung des Ertrages verschiedener Produkte und/oder zum Schutz der Beton-Wände in Konvertern..

Das deutsche Patent DE 102016004026 B4 offenbart die Verwendung von Schwebekörpern mit aktivierten Kohlemasse zur Erhöhung der Methanausbeute bei der Konvertierung der Gärflüssigkeit.

Die amerikanische Patentanmeldung US 2012/0100590 A1 offenbart einen Biokonverter zur Herstellung von Methan mit Elektrolysezellen für die Elektrolyse von Wasser. Die Gärflüssigkeit enthält hydrogenotrophe und methanogene Archaeen. Die Mitverwendung von aktivierten Kohlemasse bei der Fermentierung oder Konvertierung der Gärflüssigkeit wird nicht beschrieben.

Die amerikanische Patentanmeldung 2012/0088266A1 beschreibt einen Biokonverter zur Herstellung von Wasserstoff durch ein Wasserstoff produzierendes Bakteriengemisch in einem Wirbelschichtbett. Die Wirbelschicht enthält aktivierte Kohlepartikel und damit beschichtete Partikel aus Stahl, Kies, Glas und Kohleasche. Der bekannte Biokonverter eignet sich nicht zur Herstellung von Methan.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung vom 22.9.2019 mit dem Aktenzeichen 10 2019 006 623.5 wird ein Biokonverter zur einstufigen oder mehrstufigen Herstellung von Biogas durch Fermentation von Biomasse in einer mit Agitationsmitteln bewegten Gärflüssigkeit in der Gegenwart von elementarem Wasserstoff, hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen und aktivierten Kohlemassen beschrieben. Der elementare Wasserstoff wird in situ und/oder außerhalb der Gärflüssigkeit durch Elektrolyse von Wasser in mindestens einer internen und/oder externen Elektrolysezelle erzeugt. Dabei sind die Elektrolysezellen vor dem direkten Kontakt mit den aktivierten Kohlemasse geschützt. Der Wasserstoff kann auch aus einem externen Wasserstoffvorrat in die Gärflüssigkeit eingeleitet werden. Als Beispiele für geeignete externe Wasserstoffvorräte werden Druckgasflaschen und Druckbehälter, die mit Metallhydriden wie Aluminiumhydrid oder Lithiumaluminiumhydrid gefüllt sind, welche bei höheren Temperaturen den elementaren Wasserstoff wieder freisetzen, angegeben. Der Wasserstoff kann aber auch aus einem wasserstofferzeugenden Biokonverter zusammen mit Kohlendioxid in die Gärflüssigkeit eingeleitet werden.

Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2019/0084831 A1 ist ein Verfahren zum Cracken von vorgeheiztem Ammoniak bei einer Temperatur von 500 °C bis 1100 °C bekannt. Dabei werden Nickeloxide, Eisenoxide, Mangan, Platin, Palladium, Lanthan Oxide, Molybdän und/oder Zirkon als Crackkatalysator verwendet. Besonders bevorzugt ist ein auf Magnesium- Aluminium-Spinell geträgerter Nickelkatalysator. Die resultierende Wasserstoff-Stickstoff- Mischung wird auf 40 °C bis 300 °C abgekühlt, von restlichem Ammoniak befreit und als Brennstoff für Turbinen verwendet.

Das europäische Patent EP 2 007 680 B1 offenbart die Verwendung von Zirkoniumoxidnitrid- Katalysatoren für die Zersetzung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff. Die Katalysatoren sollen sich vor allem für Brennstoffzellen eignen.

Die japanischen Patentanmeldung JP 2018021089 W offenbart einen Crackkatalysator auf der Basis von Zeolith für Ammoniak in einer Brennstoffzelle, der nicht aggregieren soll. Die eigentlichen Katalysatoren sind Metallmikropartikel.

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2009059933 A ist ein Crackkatalysator für Ammoniak bekannt der aus einem Träger aus CerOxid, Aluminiumoxid und Zirkonoxid aufgebaut ist und mindestens ein Übergangsmetall enthält.

Des Weiteren ist aus dem europäischen Patent 3 028 909 B1 ein Verfahren zum Cracken von Ammoniak in ein Gasgemisch aus 75 % Wasserstoff und 25 % Stickstoff bekannt. Das Gasgemisch wird zu Heizzwecken mit Luft als Oxdidationsmittel verbrannt oder in einer Wärme-Kraft-Maschine als Brennstoff verwendet. Vor der Verwendung in einem Heizkessel oder Wärme-Kraft-Maschine kann weiterer Ammoniak zur Steigerung des Energieinhalts beigemischt werden. Die Verwendung von Wasserstoff-Stickstoff-Gemischen, die durch das katalytische Cracken oder die Spaltung von Ammoniak hergestellt worden sind, in Biokonvertern, die aktivierte Kohlemassen enthalten, wird nicht beschrieben.

Es wäre wünschenswert, aktivierte Kohlemassen, die absorbierten oder adsorbierten Wasserstoff enthalten, als Prozessstoff einzusetzen. Leider ist aber die Aufnahmefähigkeit von Aktivkohle für Wasserstoff bei den Prozesstemperaturen sehr gering.

Neuerdings wird versucht, durch Aktivkohlespeicher aus Bambus eine Brennstoffzellen- Revolution zu erzielen. Mit dem Aktivkohlespeicher lassen sich bei 1 bar 60 g Wasserstoff in 20 g Bambus-Aktivkohle speichern - allerdings nur bei -196 °C (INGENIEUR.de Technik - Karriere - News, 30.10.2018).

Binäre Tetrahydrofuran-Wasserstoff-Chlathrat-Hydrate werden schon seit langem auf ihre Speicherfähigkeit für Wasserstoff untersucht. Ob sie als Prozessstoffe gegebenenfalls zusammen mit Aktivkohlen in Biokonvertern eingesetzt werden können, ist nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung lag der Aufgabe zu Grunde, kohlendioxidneutrale Biokonverteranlagen bereitzustellen, bei denen die Methanausbeute noch höher ist als bei den bekannten Biokonverteranlagen. Außerdem soll das gewonnene Methan einen hohen Reinheitsgrad aufweisen. Dabei soll das betreffende kohlendioxidneutrale Konvertierungsverfahren einfach und sicher durchführbar sein und die verwendeten aktivierten Kohlemassen sollen in einfacher Weise abtrennbar sein. Nicht zuletzt sollen Wasserstoffquellen für die kohlendioxidneutralen Biokonverteranlagen bereitgestellt werden, welche die Probleme der Bevorratung von Wasserstoff als Gas oder als Metallhydrid nicht mehr aufweisen, sondern durch die Wasserstoff nach Bedarf sicher hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäße Lösung

Demgemäß wurde die kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage zur einstufigen oder mehrstufigen kohlendioxidneutralen Herstellung von Biogas durch Fermentation von Biomasse in einer mit Agitationsmittel bewegten Gärflüssigkeit in der Gegenwart von elementarem Wasserstoff und hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen und aktivierten Kohlemasse gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gefunden. Im Folgenden wird diese kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage als »erfindungsgemäße Biokonverteranlage« bezeichnet.

Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 22 hervor.

Außerdem wurde das kohlendioxidneutrale, einstufige oder mehrstufige Verfahren zur Herstellung von Biogas mithilfe der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage gemäß dem Patentanspruch 23 gefunden, was im Folgenden als »erfindungsgemäßes Konvertierungsverfahren« bezeichnet wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 24 bis 27 hervor.

Des Weiteren wurde das Verfahren zur Injektion wasserstoffhaltiger, pulverförmiger, aktivierter Kohlemassen in die Gärflüssigkeit eines Biokonverters gemäß Patentanspruch 28 gefunden, was im Folgenden als »erfindungsgemäßes Injektionsverfahren« bezeichnet wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektionsverfahrens geht aus dem abhängigen Patentanspruch 29 hervor.

Nicht zuletzt wurde die Verwendung der durch das erfindungsgemäße Konvertierungsverfahren erzeugten konvertierten Biomassen oder Gärprodukte sowie der bei dem erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahren verwandten aktivierten Kohlemassen als Düngemittel und zur Herstellung von Terra preta gemäß Patentanspruch 30 gefunden, was im Folgenden als »erfindungsgemäße Verwendung« bezeichnet wird.

Vorteile der Erfindung

Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag mithilfe der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage, des erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahrens, des erfindungsgemäßen Injektionsverfahrens und der erfindungsgemäßen Verwendung gelöst werden konnte. Überraschenderweise konnte durch die erfindungsgemäße Biokonverteranlage und das erfindungsgemäße Konvertierungsverfahren eine signifikante Erhöhung der Methanausbeute erzielt werden.

Durch die Einbringung der aktivierten Kohlemassen in die erfindungsgemäßen Biokonverteranlagen in Schwebekörpern, Schwimmkörpern, festen Schichten, immobilen, fluiddurchlässigen Behältern, Wirbelkörpern eines Wirbelschichtbetts, magnetisierbaren Partikeln und/oder einem Festbett konnten der aktivierte und/oder passive Abrieb und Abtrag und/oder die Erosion unterdrückt werden. Dies hatte den Vorteil, dass die aktivierte Kohlemasse sich langsamer zersetzte als die Biomasse.

Die Zurückgewinnung der aktivierten Kohlenmassen geschah nicht mehr durch die Teilnahme am Stoffstrom. Dadurch resultierte ein längeres Verbleiben der aktivierten Kohlemassen im erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahren, wodurch auch die Mikroorganismen, die durch Impfung eingebracht worden waren, eine längere Verweilzeit aufwiesen.

Vor und/oder während des erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahrens konnten die aktivierten Kohlemasse mit Spurenelementen, Mikroelementen, Ultraspurenelementen, Ultramikroelementen, Mengenelementen, Nährstoffen, essentiellen Nährstoffen, Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Mineralstoffen und/oder Vitaminen beladen werden.

Insbesondere überraschte, dass sich durch die aktivierten Kohlemassen Schwermetalle binden ließen, wodurch die konvertierten Biomassen oder Gärprodukten besonders niedrige Schwermetallwerte aufwiesen. Dadurch konnten diese hervorragend als Dünger oder zur Herstellung von Terra Preta verwendet werden.

Dadurch, dass die bei dem erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahren verwandten aktivierten Kohlemassen diese Schwermetalle durch Adsorption und Chemiesorption besonders fest banden und nicht mehr an die Umgebung abgaben, konnten auch sie hervorragend zur Herstellung von Terra preta und als Dünger verwendet werden.

Weitere wertvolle Dünger und Ausgangsprodukte für Terra preta konnten erhalten werden, indem man die Konvertierungsprodukte und die verwandten aktivierten Kohlemassen miteinander vereinigte. Der wesentliche Vorteil war aber, dass der Wasserstoff in den erfindungsgemäßen Biokonverteranlagen nach Bedarf in katalytischen Ammoniakcrackern zur Verfügung gestellt werden konnte, sodass nicht Wasserstoff, sondern nur Ammoniak bevorratet werden musste.

Der weitere wesentliche Vorteil war die besonders hohe Ausbeute an Methan eines Reinheitsgrades >90 Vol.-%, vorzugsweise >95 Vol.-%. Außerdem konnte durch die nahezu vollständige oder vollständige Umwandlung von Kohlendioxid in Methan auf eine aufwändige und teure Gaswäscher mit NaOH verzichtet werden.

Der essenzielle Vorteil der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage BKA war indes ihre Kohlendioxidneutralität. Sie konnte außerdem so ausgelegt werden, dass sie sogar als Kohlendioxidsenke diente.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Biokonverteranlage und ihre Peripherie, die eine zentrale elektronische Steuerungseinheit oder Datenverarbeitungsanlage, elektronische, mechanische, hydraulische Regelkreise, Messgeräte, Durchflussmesser, Gasuhren, Manometer, Überdruckventile, Drosselventile, Druckhalteventile, Durchflussventile, Aktuatoren, Transportleitungen für Flüssigkeiten, Gase, Schlämme und Feststoffe, Energiequellen, Stromquellen, Pumpen und Sichtfenster umfasst, sind aus mechanisch stabilen, säure- und basenstabilen, korrosionsstabilen, temperaturstabilen, druckstabilen und formstabilen Materialien aufgebaut. Beispiele geeigneter Materialien sind Stahl, Edelstahl, Chromstahl, eloxiertes Aluminium, Metalllegierungen, thermoplastische und duroplastische Kunststoffe, Beton, Keramiken, Glaskeramiken und Gläser.

Für die erfindungsgemäße Biokonverteranlage und das erfindungsgemäße Konservierungsverfahren kommen alle üblicherweise verwendeten Biomassen, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen enthalten, in Betracht.

Beispiele geeigneter Biomassen sind Gülle, Jauche, Fäkalien, Gärreste, Trockenfermente, Klärschlämme, Fermente, Komposte, Bioabfälle, pflanzlichen Abfälle, Laub, Schnittholz, Maischen, Trester, Lebensmittelindustrieabfälle, biotechnologische Abfälle, gentechnologische Abfälle, tierische Abfällen, Cellulosen, Hemicellulosen, Liginocellulosen, Cellulosen, Hemicellulosen und/oder Liginocellulosen enthaltende Biomassen und Abfälle, hochmolekulare Eiweiße und Struktureiweiße, Konzentrate der biologischen Reinigungsstufen von Kläranlagen, chemischen Wäschern und Filtern, Abwässer, feste Ablagerungen aus der Abluftbehandlung, Lebensmittel, Futtermittel, Seetang, Wasserpflanzen, Algen und durch Hydrolyse, Acidogenese und Acetogenese erzeugte organische Verbindungen wie Carbonsäuren und deren Ester.

Weitere Beispiele geeigneter Biomassen sind insbesondere Wirtschaftsdünger wie Rindergülle, Schweinegülle, Rindermist, Geflügelmist und Pferdekot ohne Stroh, nachwachsende Rohstoffe wie Maissilage, Getreide-Ganzpflanzensilage (GPS), Grünroggensilage, Getreidekörner, Grassilage, Zuckerrüben, Futterrüben, Sonnenblumensilage, Sudangras, Zuckerhirse und Grünroggen, Substrate der verarbeitenden Industrie wie Biertreber, Getreideschlempe, Kartoffelschlempe, Obstschlempe, Rohglycerin, Rapspresskuchen, Kartoffelpülpe, Z-Pressschnitzel, Melasse, Apfeltrester, Rebentrester sowie Grün- und Rasenschnitt wie Grünschnitt.

Des Weiteren wird auf »Liste „Biogene Abfälle und Abfälle mit relevanten biogenen Anteilen“ gemäß § 3 Abs. 6 der Förderrichtlinien 2009 für die Umweltförderung im Inland, Kommunal Kredit Public Consulting, Version 08/2018, Kommunalkredit Public Consulting GmbH, Wien,« und »“Was ist bei der landwirtschaftlichen Verwertung von Bioabfällen zu beachten?“, LfL, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, 3. Aufl., Mai 2013 (nur Internet)« verwiesen.

Durch die Verwendung der vorstehend aufgeführten Biomassen können insbesondere Nebenabfälle aus der Landwirtschaft für die Methanherstellung verwertet und dadurch signifikant reduziert werden.

Die Biomassen werden üblicherweise über mindestens einen Biomassezulauf in die Gärflüssigkeit in den Biokonverter der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage geleitet.

Die Gärflüssigkeit wird mithilfe mindestens eines Agitationsmittels bewegt. Im allgemeinen soll die Gärflüssigkeit mit einer Geschwindigkeit bewegt werden, bei der die Mikroorganismen nicht geschädigt werden. Beispiele geeigneter Agitationsmittel sind Rührer, insbesondere Blattrührer und Paddelrührer, und mindestens ein Seitenkreis oder Bypass, der die Gärflüssigkeit nahe ihrer Oberfläche aus mindestens einem, insbesondere einem, Auslass mittels mindestens einer Umwälzpumpe ausleitet oder absaugt und als Rücklauf durch mindestens eine Rücklaufleitung zu mindestens einem vorzugsweise kreisförmigen Rücklaufverteiler zur Eindüsung des Rücklaufs in den unteren Bereich der Gärflüssigkeit in dem Reaktorvolumen weiter transportiert. Die Fermentation oder Konvertierung der Biomasse findet in der Gegenwart von elementarem Wasserstoff statt.

Erfindungsgemäß wird der Wasserstoff in mindestens einem Ammoniakcracker durch die katalytische Spaltung von Ammoniak erzeugt. Vorzugsweise wird die katalytische Spaltung von Ammoniak bei Temperaturen von 300 °C bis 700 °C, bevorzugt 400 °C bis 650 °C und insbesondere 500 °C bis 600 °C und einem Druck von 1,0 bar bis 50 bar, bevorzugt 1,0 bar bis 40 bar und insbesondere 1,0 bar bis 30 bar durchgeführt.

Beispiele geeigneter Crackkatalysatoren sind Kupfernanopartikel, die mit Spuren von Ruthenium dotiert sind. Wenn diese erhitzt und gleichzeitig mit Licht bestrahlt werden, wird die Energiebarriere erniedrigt, wodurch das Ammoniak bei tieferen Temperaturen als üblich gespalten werden kann (vgl. http://news.rice.edu/2018/10/04/light-makes-rice-u-catalyst- more-effective-2/).

Weitere Beispiele geeigneter Crackkatalysatoren sind auf Magnesium-Aluminium-Spinell, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid geträgertes Nickel, Zirkoniumoxidnitrid,, Eisenoxid, Mangan, Platin, Palladium, Lanthanoxid, Nickel-Rutheniumlegierungen und auf Aluminiumoxid geträgertes Eisenoxid (vgl. Europäische Patente EP 2 007 680 B1 und EP 3 028 990 B1 und amerikanische Patentanmeldung US 2019/0084831 A1).

Vorzugsweise ist der mindestens eine Ammoniumcracker als Doppelrohrreaktor ausgelegt, bei dem in dem zentralen Rohr mindestens eine Heizquelle angeordnet ist. Bevorzugt handelt es sich bei der mindestens einen Heizquelle um mindestens einen Brenner, der mit vorzugsweise heißer Luft als Oxidationsmittel und mit dem in dem mindestens einen Biokonverter erzeugten Biogas betrieben wird. Zusätzlich können das in dem mindestens einen Ammoniumcracker erzeugte Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch und/oder der Wasserstoff mit eingespeist werden. Im Bedarfsfall kann auch noch Erdgas beigemischt werden.

Anstelle mindestens einer offenen Flamme können oder zusätzlich zu dieser können Widerstandsheizungen, Induktionsheizungen und/oder heiße Prozessgase und Abgase aus chemischen Anlagen und Kraftwerken verwendet werden.

Zur besseren Wärmeübertragung auf den mindestens einen Katalysator in dem das zentrale Rohr (Heizrohr) umgebende Crackrohr (Außenrohr) werden mit der mindestens einen offenen Flamme des mindestens einen Brenners in der Heizkammer eine metallische Füllkörperschüttung mit hoher Wärmeleitfähigkeit erhitzt. Vorzugsweise werden Füllkörperschüttungen aus Kupfer verwendet.

Das Crackrohr enthält mindestens einen der vorstehend beschriebenen Crackkatalysatoren in der Form von Füllkörperschüttungen und/oder in monolithischer Form, wie sie beispielsweise von Katalysatoren zur Reinigung von Motorabgasen bekannt ist. Ein Beispiel für eine solche monolithische Form ist das in der Übersetzung DE 602 21 141 T2 der europäischen Patentschrift EP 1 444475 B1 beschriebene monolithische System.

Der mindestens eine Ammoniumcracker kann vertikal oder horizontal angeordnet sein. Wenn er vertikal angeordnet ist, befindet sich seine mindestens eine Heizkammer mit dem mindestens einen Brenner an seinem unteren Ende. Vorzugsweise ist der mindestens eine Ammoniumcracker horizontal angeordnet.

Vorzugsweise liegt der Außendurchmesser des Crackrohrs bei 5 cm bis 50 cm, bevorzugt 6 cm bis 40 cm und insbesondere 8 cm bis 30 cm. Vorzugsweise liegt der Außendurchmesser des zentralen Rohrs bei 3 bis 40 cm, bevorzugt 3 cm bis 30 cm und insbesondere 3 bis 20 cm. Die Wandstärke der Rohre liegt vorzugsweise bei 1 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 ,5 mm bis 4 mm und insbesondere 2 mm bis 3 mm.

Vorzugsweise beträgt die Länge des Doppelrohr-Ammoniakcrackers bei 50 cm bis 10 m, bevorzugt 60 cm bis 8 m und insbesondere 1 m bis 7 m.

Bevorzugt ist der Doppelrohr-Ammoniakcracker von einer 10 cm bis 40 cm dicken Dämmschicht zur thermischen Isolierung umhüllt. Beispiele geeigneter Materialien für den Aufbau der Dämmschicht sind Mineralfasern, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumsilikat-Wolle, Erdalkali-Silikat-Wolle, Aluminium-Silikat-Zirkon-Wolle,

Hochtemperatur-Glaswolle, polykristalliner Aluminiumoxid-Wolle, Aluminiumoxid- Keramikfasern, Mullit-Keramikfasern, Yttriumoxid-Keramikfasern, Siliziumcarbid-, Siliziumcarbidnitrid-, und Siliziumboridnitridcarbid-Fasern, alkalibeständigen Glasfasern, Quarzfasern, Kieselsäurefasern Basaltfasern, Borfasern, Einkristallfasern (Whisker), polykristallinen Fasern, Schlackenfasern und Nanotubefasern sowie deren Gemischen.

Bevorzugt sind die Leitungen, in denen das erhitzte Ammoniak und die erhitzte Luft geführt werden, ebenfalls mit Dämmschichten thermisch isoliert. Das Ammoniak wird je nach Bedarf des mindestens einen Biokonverters der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage flüssig und/oder gasförmig mindestens einer Druckflasche entnommen. Die jeweilige Durchflussmenge wird durch einen elektronisch überwachten und geregelten Druckminderer eingestellt. Das Ammoniak wird dann über mindestens eine Ammoniakleitung zu mindestens einem ersten Rekuperator geleitet, worin es durch die aus dem zentralen Rohr abgeleiteten heißen Abgase vorzugsweise auf 300 °C bis 500 °C erhitzt wird, bevor es über mindestens eine Ammoniakleitung in das Crackrohr eingeleitet wird.

Das in dem Crackrohr erzeugte heiße Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch enthält Wasserstoff und Stickstoff im Volumenverhältnis von 3:1. Es kann bis zu 5 Vol.-%, vorzugsweise bis zu 4 Vol.-% und insbesondere bis zu 2 Vol.-% an nicht umgesetztem Ammoniak enthalten. Das heiße Gasgemisch wird durch mindestens eine Wasserstoff-Stickstoff-Leitung zu mindestens einem zweiten Rekuperator geleitet, worin die zum Brenner geleitete Luft erhitzt wird.

Vorzugsweise wird das Gasgemisch nach dem mindestens einen zweiten Rekuperator in einer üblichen und bekannten Kühlvorrichtung auf vorzugsweise <70 °C, bevorzugt <65 °C, besonders bevorzugt <60 °C und insbesondere auf 50 bis 60 °C abgekühlt.

Zur Unterstützung der Wasserstoffproduktion durch den mindestens einen Ammoniakcracker können noch Elektrolysevorrichtungen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, eingesetzt werden.

Vor dem Eintritt des Gasgemischs in den Wasserstoff-Stickstoff-Verteiler in dem mindestens einen Biokonverter wird das Ammoniak vorzugsweise durch Aktivkohle, die mit Phosphorsäure imprägniert ist, gebunden. Das resultierende Nebenprodukt Aktivkohle/Ammoniumphosphat stellt selbst ein Wertprodukt dar und kann beispielsweise zur Herstellung von Terra preta verwendet werden.

In einer anderen Ausführungsform wird das abgekühlte Gasgemisch durch Schwefelsäure geleitet, worin das Ammoniak als Ammoniumsulfat gebunden wird. Die Ammoniumsulfatlösung stellt ebenfalls ein Wertprodukt dar und kann beispielsweise als Flüssigdünger verwendet werden. In noch einer weiteren Ausführungsform wird der Wasserstoff aus dem abgekühlten, ammoniakhaltigen oder ammoniakfreien Gasgemisch mithilfe eines Moduls mit wasserstoffselektiven Membranen abgetrennt Beispiele geeigneter wasserstoffselektiver Membrane sind SEPURAN® Noble-Membranen von Evonik, die in der internationalen Patentanmeldung WO 2006/017022, Seite 18, Zeile 9, bis Seite 20, Zeile 13, beschriebenen Keramikmembrane, die in dem Artikel von Jinchang Zhu et al., Facile hydrogen/nitrogen Separation through graphene oxide membranes supported on YSZ ceramic hollow fibers, in Journal of Membrane Science, Volume 535, 2017, Seiten 143 bis 150, beschriebenen Membrane, die in dem deutschen Patent DE 10 2008 048 062 B3, Seite 8, Absatz [0054] aufgeführten Membrane, die in der amerikanischen Patentanmeldung US 2009/0277331 A1 in den Beispielen 1 bis 6 beschriebenen Kompositmembrane oder die in der deutschen Offenlegungsschrift DE 2307 853 beschriebenen Membrane.

Das ammoniakfreie Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch und/oder der Wasserstoff wird oder werden mit einem Druck von vorzugsweise 1 ,0 bar bis 5 bar, vorzugsweise 1 ,0 bar bis 4 bar und insbesondere 1,0 bar bis 3 bar in den Wasserstoffverteiler geleitet, von wo aus das Gemisch und/oder der Wasserstoff aus den Wasserstoffdüsen in die Gärflüssigkeit GF austritt oder austreten. Ein Teil des Wasserstoffs kann zudem als Brennstoff für den Ammoniakcracker abgezweigt werden.

Vorzugsweise sind die Zuleitungen für das flüssige und/oder gasförmige Ammoniak, das im ersten Rekuperator erhitzte Ammoniak, die Luft, die im zweiten Rekuperator erhitzte Luft und das Biogas sowie die Ableitungen des erzeugten Wasserstoffs-Stickstoffs-Gemischs spiralförmig ausgeführt, um die durch thermische Ausdehnung und Kontraktion erzeugten mechanischen Spannungen zu kompensieren.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden aktivierten Kohlemassen können aus mineralischer Kohle, teilpyrolysierter Kohle, Biokohle, Aktivkohle, Tierkohle, Tierabfallkohle, Knochenkohle, pyrogenem Kohlenstoff unterschiedlichen Pyrolysegrades und Braunkohle hergestellt werden. Die Kohlen können funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, vorbehandelt, gewaschen, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet und angefeuchtet, eingesumpft und teilgetrocknet und/oder extrahiert werden.

Außerdem können die Kohlen als Nanopartikel wie Kohlenstoffnanoröhrchen, Fullerene, Graphen und/oder Nanokonen einer mittleren Teilchengröße von 1 nm bis <1 pm, als Mikropartikel einer mittleren Teilchengröße von 1 pm bis <1 mm und als Makropartikel einer mittleren Teilchengröße >1 mm vorliegen. Die mittleren Teilchengrößen können vom Fachmann mithilfe der üblichen und bekannten Methoden, die den jeweiligen Größenordnungen angepasst sind, gemessen werden.

Darüber hinaus kann die aktivierte Kohlemasse in der Form von magnetisierbaren, aktivierten Kohlepartikeln vorliegen, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 10 2014 100 850 B4, Seite 7, Absatz [0074] bis Seite 8, Absatz [0084], und der deutschen Patentanmeldung DE 102014 100849 A1 beschrieben wird.

Vorzugsweise werden Biokohlen, insbesondere Tierkohle, Knochenkohle und/oder Pflanzenkohle verwendet. Bevorzugt wird Pflanzenkohle verwendet. Besonders bevorzugt hat die Pflanzenkohle eine innere Oberfläche nach BET von mindestens 300 m²/g, besonders bevorzugt von mindestens 500 m²/g und insbesondere von mindestens 700 m²/g, was das Anwachsen der Bakterien begünstigt. Sie weist eine hohe Kapillardichte auf, die für besonders effektive Stoffströme und eine Substratversorgung sorgt. Besonders bevorzugt liegt ihr pH- Wert bei 8 bis 8,7, was besonders vorteilhaft für das Wachstum der Archaeen ist. Vorzugsweise ist das H / C-Verhältnis <0,7, bevorzugt <0,6 und insbesondere <0,5 gemäß der Richtlinie des European Biochar Certificate. Eine optimierte Pflanzenkohle wird in der Firmenschrift der LUCRAT® GmbH, Pflanzenkohle optimiert,, Energy-Dezentral 2018 / Eurotier, beschrieben.

Bei der Herstellung der aktivierten Kohlemassen könne die vorstehend beschriebenen Kohlen mit Spurenelementen, Mikroelementen, Ultraspurenelementen, Ultramikroelementen, Mengenelementen, Nährstoffen, essenziellen Nährstoffen, Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Mineralstoffen, Vitaminen, Huminstoffen, 5-(Hydroxymethyl)furfural, anorganischen Nitraten und/oder Klebstoffen funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft und getrocknet, getrocknet und angefeuchtet und/oder eingesumpft und teilgetrocknet und/oder mit hydrogenotrophen und/oder methanogenen Archaeen beladen werden.

Vorzugsweise werden die Spurenelemente, Ultraspurenelemente, Mikroelemente und Ultramikroelemente aus der Gruppe, bestehend aus Lithium, Rubidium, Cäsium, Strontium, Barium, Chrom, Kobalt, Eisen, Fluor, Brom, Jod, Kupfer, Mangan, Molybdän, Wolfram, Quecksilber, Selen, Bor, Aluminium, Thallium, Blei, Silicium, Zink, Arsen, Antimon Nickel, Rubidium, Zinn und Vanadium, und die Bakterien aus der Gruppe der Archaeen ausgewählt. Vorzugsweise werden die Spurenelemente, Mikroelemente, Ultraspurenelemente und Ultramikroelemente aus der Gruppe, bestehend aus Chrom, Kobalt, Eisen, Fluor, Jod, Kupfer, Mangan, Molybdän, Selen, Silicium, Zink, Arsen, Nickel, Rubidium, Zinn und Vanadium, ausgewählt.

Bevorzugt liegen die Spurenelemente, Mikroelemente, Ultraspurenelemente, Ultramikroelemente und/oder die Mengenelemente in natürlichen und/oder synthetischen Mineralien und/oder Keramiken und/oder Metallen vor, die so schwer löslich sind, dass sie die Spurenelemente, Mikroelemente Ultraspurenelementen, Ultramikroelemente und/oder Mengenelemente nur langsam im Sinne von Slow Release an die Gärflüssigkeit abgeben. Ein Beispiel für natürliches Mineral ist Kobalt enthaltendes Asbolan oder mit Spurenelementen, Mikroelementen, Ultraspurenelementen und Ultramikroelementen dotierter Kalkstein.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegen die Spurenelemente, Mikroelemente, Ultraspurenelementen, Ultramikroelemente und/oder Mengenelemente in der Form ihrer Komplexe vor.

Vorzugsweise werden die Komplexierungsmittel aus der Gruppe der zweizähnigen, dreizähnigen, vierzähnigen und fünfzähnigen Liganden und höherzähnigen Liganden wie Kronenether und Stickstoffananloga ausgewählt. Insbesondere enthalten die komplexierenden Gruppen Boratome, Sauerstoffatome, Stickstoffatome, Phosphoratome, Schwefelatome und/oder Selenatome.

Ganz besonders bevorzugt werden die Komplexierungsmittel aus der Gruppe, bestehend aus Lignin, Stärke, Polysaccharide, Aminosäuren, Polyvinylalkohole, Polyglykole, Polyethylenimine, Acetylaceton, Ethylendiamin, Diethylentriamin, Iminodiacetat, Triethylentetramin, Triaminotriethylamin, NTA Nitrilotriessigsäure,

Bis(salicyliden)ethylendiamin, 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraacetat, Oxalat, Citrat, Dimethylglyoxim, 8-Hydroxychinolin, 2,2‘-Bipyridin, 1,10-Phenanthrolin, Dimercaptobernsteinsäure, 1 ,2-Bis(diphenylphosphino)ethan, 2-(2-Aminoethylamino)ethanol, Ethylendiamintriacetat, EDTA Ethylendiamintetraacetat, EGTA (Ethylenglycol- bis(aminoethylether)-N,N,N',N'-tetraessigsäure), DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecan- 1,4,7,10-tetraessigsäure), NTA (Nitrilotriessigsäure), EDDS (Ethylendiamindibernsteinsäure), D-Penicillamin, Deferoxamin, Zitronensäure, Polycarboxylate, Zeolithe, Phosphonate, Triethanolamin, Gluconate, Alanindiessigsäure-Natriumsalz (ADA), Methylglycindiessigsäure (MGDA), Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), Propylendiamintetraessigsäure (PDTA), Isoascorbinsäure (E315), Natriumisoascorbat (E316), Citronsäure (E330), Natriumcitrat (E331), Kaliumcitrat (E332), Calciumnitrat (E333), Weinsäure (E334), Natriumtartrate (E335), Kaliumtartrate (E336), Natriumkaliumtartrate (E337), Natriumphosphate (E339), Kaliumphosphate (E340), Calciumphosphate (E341), Calciumtratrat (E354), Triammoniumcitrat (E380), Calcium-EDTA (E385), Polyoxyethylensorbitanmonolaurat (Polysorbat 20) (E432), Polyoxyethylensorbitanmonooleat (polysorbat 80) (E433),

Polyoxyethylensorbitanmonopalmitat (Polysorbat 40) (E434),

Polyoxyethylensorbitanmonostearat (Polysorbat 60) (E435), Polyoxyethylensorbitantristearat (Polysorbalt 65) (E436), Beta-Cyclodextrin (E459), Diphosphate (E450), Triphosphate (E451), Polyphosphate (E452), Gluconsäure (E574), Natriumgluconat (E576), Kaliumgluconat (E577), Calciumgluconat (E578), Eisen-ll-gluconat (E579), Phytat, Bentonit, Zeolithe und Montmorillonit, ausgewählt.

Die aktivierten Kohlemassen können fixiert sein

Die fixierten, aktivierte Kohlemassen können in einer Ausführungsform als mindestens eine Schicht, die mithilfe mindestens eines Klebstoffs fixiert ist, vorliegen. Der mindestens eine Klebstoff kann eine separate Schicht bilden oder im Gemisch mit der fixierten, aktivierten Kohlemasse vorliegen.

Geeignete Klebstoffe können aus der Gruppe, bestehend aus Biopolymeren, Polysacchariden, chemisch härtenden Klebstoffen, Polymerisationsklebstoffen, Cyanacrylat-Klebstoffen (Sekundenkleber), Methylmethacryl-Klebstoffen, anaerob härtenden Klebstoffen, ungesättigten Polyestern (UP Harze), strahlenhärtenden Klebstoffen, Polykondensationsklebstoffen, Phenol-Formaldehydharz Klebstoffen, Silikon-Silan vernetzten Polymerklebstoffen, Lignin-Klebstoffen, Polyimidklebstoffen, Polysulfidklebstoffen, Polyadditionsklebstoffen, Expoxidharz-Klebstoffen, Polyurethan-Klebstoffen, Silikon- Polyisocyanat-Klebstoffen, physikalisch abbindenden Klebstoffen, lösemittelhaltigen Klebstoffen, Kontaktklebstoffen, Dispersionsklebstoffen, Zement, zementbasierten Klebstoffen, Schaumbeton, gipsbasierten Klebstoffen, Plastisolen, Klebstoffen ohne Verfestigungsmechanismus und Löschkalk und hierauf basierte Klebstoffen, ausgewählt werden.

Die vorstehenden Klebstoffe können teiloffene Strukturen aufweisen, sie können durch Punktverbindungen zusammengehalten umhüllt, teilumhüllt, nicht umhüllt und/oder auf einen Hintergrund geklebt sein und/oder einen Backbone haben. Sie können außerdem mit Härtern und/oder Fließmitteln versetzt sein.

Die vorstehenden Klebstoffe für die Kohlenanopartikel, Kohlemikropartikel und/oder Kohlemakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, sind nur beispielhaft und nicht abschließend aufgezählt. Die Aufzählung soll demnach die Vielfalt der Möglichkeiten verdeutlichen, und der Fachmann kann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne Weiteres, weitere Möglichkeiten angeben.

Bevorzugt werden biologisch abbaubare und/oder organische Kleber verwendet.

Solchermaßen fixierte, aktivierte Kohlemassen können beispielsweise zur Beschichtung der Wände des Biokonverters dienen, wie dies in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 012436 A1 beschrieben wird.

Des Weiteren können die fixierten, aktivierten Kohlemassen in immobilen, fluiddurchlässigen Behältnissen eingeschlossen sein. Beispiele geeigneter Behältnisse sind Tüten, Beutel, Säcke, Eimer, Dosen, Schachteln, Briefkuverts und Kartonagen aus Papier, papierähnlichen Materialien, Textil, Metall und/oder jegliche Kombinationen hiervon. Des Weiteren kommen Gefrierbeutel, Druckverschlussbeutel, Müllbeutel, Allzweckbeutel, Stoffbeutel, Einkaufsnetze, luftdurchlässige Beutel für die Lagerung von Lebensmitteln sowie Staubsaugerbeutel in Betracht. Außerdem können Ventilsäcke, Kreuzbodensäcke, Klotzbodensäcke, Pinchsäcke, Flachsäckel, Faltensäcke und/oder Netze verwendet werden. Wesentlich ist, dass diese Behältnisse für die Gärflüssigkeit durchlässig sind, jedoch keine elektrisch leitfähigen Partikel in das Reaktorvolumen abgeben.

Die Behältnisse können in unterschiedlicher Weise in den erfindungsgemäßen Biokonverter eingebracht werden. So können sie am Boden, an den Seitenwänden, vor den Seitenwänden abgesetzt, mitten im Biokonverter und/oder an den Rührern platziert werden und/oder an und/oder in Systemen wie Trägermaterialien wie Gardinen, Gittern, Hölzern und/oder in sonstigen beliebigen Körpern eingebracht werden.

In einer weiteren Ausführungsform enthält der erfindungsgemäßen Biokonverter mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier und insbesondere mindestens fünf Schwebekörper, die die aktivierte und vorzugsweise fixierte Kohlemassen tragen, in der Gärflüssigkeit.

Die Schwebekörper sind in der Gärflüssigkeit frei beweglich oder an der Oberfläche des Reaktorbodens, des Deckels, des Daches oder der Abdeckung, vorzugsweise an der Oberfläche des Reaktorbodens, des Biokonverters verankert.

Der erfindungsgemäß zu verwendende Schwebekörper umfasst mindestens einen Auftriebskörper, mindestens eine fixierte, aktivierte Kohlemasse und mindestens eine Beschwerung.

Die mindestens eine fixierte, aktivierte Kohlemasse und die mindestens eine Beschwerung sind so austariert, dass der Auftriebskörper den Schwebekörper in der Gärflüssigkeit vorzugsweise vertikal oder im Wesentlichen vertikal in der Schwebe hält.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff »in der Schwebe« den Fall, dass der Auftriebskörper des Schwebekörpers in der Gärflüssigkeit teilweise oder vollständig untergetaucht ist oder auf der Oberfläche der Gärflüssigkeit schwimmt.

Die Größe und das Gewicht des Schwebekörpers können sehr breit variieren und daher hervorragend an die konstruktiven Besonderheiten eines gegebenen erfindungsgemäßen Biokonverters und die Erfordernisse eines gegebenen erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahren angepasst werden.

Vorzugsweise beträgt die Gesamtlänge des Schwebekörpers, d.h. die Strecke von seiner Beschwerung bis zum höchsten Punkt des Auftriebskörper, 10 bis 100 cm.

Vorzugsweise beträgt das Gewicht des Schwebekörpers 10 bis 1000 g.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Auftriebskörper können die unterschiedlichsten Formen und Größen aufweisen. Wesentlich ist, dass ihr Auftrieb ausreicht, um den Schwebekörper in der Schwebe zu halten. Die Ermittlung des notwendigen Auftriebs kann rechnerisch oder mithilfe weniger einfacher Versuche erfolgen.

Die Auftriebskörper können Hohlkörper, massive Körper oder schwammartige Körper sein. Wesentlich ist, dass sie sich in der Gärflüssigkeit nicht zersetzen. Sie können beliebige dreidimensionale Formen haben. Beispiele geeigneter Formen sind platonische Körper wie Kugeln, Pyramiden, Zylinder, Octaeder, Dodecaeder oder Icosaeder. Des Weiteren kommen Halbkugeln oder Ringe infrage. Ihre Größe richtet sich nach dem Gewicht der fixierten, aktivierten Kohlemassen, die sie in der Schwebe halten sollen. Geeignete Materialien für die Auftriebskörper sind Kunststoffe, Holz, Leichtmetalle oder Glas. Vorzugsweise werden für Hohlkörper Kunststoffe verwendet. Für massive Körper werden vorzugsweise Kunststoff oder Holz verwendet.

Beispiele geeigneter Polymere, die gegenüber der Gärflüssigkeit stabil sind, sind Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Polybutadien, Polyisopren und ihre Copolymerisate, Polyvinylaromaten wie Polystyrol, Poly(alpha-methylstyrol) und ihre Copolymerisate, Poly(meth)acrylate, Polyester, Polyether, Polyamide, Polyesterimide, Polyketone, Polyetherketone oder Polysulfone. Weitere geeignete Polymere kann der Fachmann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens leicht auswählen. Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn die Polymere dreidimensional vernetzt sind. Noch ein weiterer Vorteil resultiert, wenn die Polymere biologisch abbaubar sind.

Die Hohlkörper können mit Luft, Stickstoff oder Helium gefüllt sein. Vorzugsweise wird Luft verwendet. Sie können aber auch evakuiert sein. Die Hohlkörper können außerdem in ihrer Wandung Stellen enthalten, die mit der Zeit durch die Gärflüssigkeit aufgelöst werden, so dass sie sich allmählich oder rasch mit der Gärflüssigkeit füllen, wodurch die Schwebekörper auf den Reaktorboden sinken. Dies kann auch kontrolliert dadurch geschehen, dass in der Wandung Ventile eingebaut sind, die per Funkfernsteuerung geöffnet werden können. Die auf den Reaktorboden abgesunkenen Schwebekörper können dann in einfacher Weise entsorgt werden.

Die Herstellung der Auftriebskörper kann in der unterschiedlichsten Weise durchgeführt werden. So kommen für die Herstellung massiver Auftriebskörper abtragende Verfahren wie Spanen, Schneiden, Schleifen oder Fräsen in Betracht. Für die Herstellung von Hohlkörpern kommen aufbauende Verfahren wie Spritzgießen oder 3-D-Drucken in Betracht.

Der erfindungsgemäß zu verwendende Schwebekörper umfasst mindestens eine fixierte, aktivierte Kohlemasse. Für spezielle Anwendungen können auch mehrere, beispielsweise 2 bis 30 fixierte, aktivierte Kohlemassen verwendet werden. Die Menge der fixierten, aktivierten Kohlemasse wird so gewählt, dass sie zusammen mit der Beschwerung oder, falls der Schwebekörper am Reaktorboden verankert ist, alleine von dem mindestens einen Auftriebskörper in der Schwebe gehalten wird.

Die fixierte, aktivierte Kohlemasse kann in einer Ausführungsform als mindestens eine Schicht, die mithilfe mindestens eines Klebstoffs fixiert ist, vorliegen. Der mindestens eine Klebstoff kann eine separate Schicht bilden oder im Gemisch mit der fixierten, aktivierten Kohlemasse vorliegen.

Die vorstehenden Klebstoffe können teiloffene Strukturen aufweisen, sie können durch Punktverbindungen Zusammenhalten, sie können umhüllt, teilumhüllt, nicht umhüllt, auf einen Hintergrund geklebt sein und/oder einen Backbone haben. Sie können außerdem mit Härtern und/oder Fließmitteln versetzt sein.

Die vorstehenden Klebstoffe für die Kohlenanopartikel, Kohlemikropartikel und/oder Kohlemakropartikel, die funktionalisiert, oberflächenmodifiziert, eingesumpft, eingesumpft und getrocknet, getrocknet, getrocknet und angefeuchtet sowie eingesumpft und teilgetrocknet sind, sind nur beispielhaft und nicht abschließend aufgezählt. Die Aufzählung soll demnach die Vielfalt der Möglichkeiten verdeutlichen, und der Fachmann kann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne Weiteres, weiter Möglichkeiten angeben.

Bevorzugt sind biologisch abbaubare und/oder organische Kleber. Die mithilfe von Klebstoffen fixierte, aktivierte Kohlemasse kann bei einer Ausführungsform auf der Oberfläche der Auftriebskörper und/oder der Beschwerungen fixiert werden.

Die Beschwerungen selbst sind vorzugsweise Feststoffe, die eine höhere Dichte als die Gärflüssigkeit aufweisen. Beispiele geeigneter Beschwerungen sind natürliche und synthetische Mineralien, synthetische und natürliche Keramiken, Glas und Metalle. Sie können die unterschiedlichsten dreidimensionalen Formen aufweisen und daher hervorragend dem jeweiligen Schwebekörper angepasst werden. Beispiele geeigneter dreidimensionaler Formen werden vorstehend bei den Auftriebskörpern aufgeführt.

In speziellen Fällen kann das Eigengewicht der fixierten, aktivierten Kohlemasse die Funktion der Beschwerung übernehmen.

Die vorstehend beschriebenen aktivierten Kohlemassen werden auch fixiert, indem man sie in Behältnisse einfüllt, die von den Auftriebskörpern und den Beschwerungen in Schwebe gehalten werden.

Für das Behältnis ist es wesentlich, dass es semipermeabel ist, so dass die Gärflüssigkeit in Kontakt mit der fixierten, aktivierten Kohlemasse treten kann.

Die Materialien für die Behältnisse müssen mechanisch stabil sein und dürfen nicht von der Gärflüssigkeit angegriffen werden. Beispiele geeigneter Materialien sind die vorstehend aufgeführten Polymere, Metalle oder Glas. Die Form der Behältnisse richtet sich in erster Linie nach den räumlichen Erfordernissen des Fermentationsreaktors und den Erfordernissen des mithilfe des Fermentationsreaktors durchgeführten Konvertierungsverfahrens. Beispielsweise können die Behältnisse die Form von Strümpfen, Säcken, Röhren oder Kästen haben, die gegebenenfalls mit Durchbohrungen versehen sind. Die Behältnisse selbst können wiederum in mindestens zwei Kompartimente unterteilt sein.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter „Durchbohrungen“ Öffnungen beliebiger Umrisse und Größen verstanden. So können sie einen runden, dreieckigen, viereckigen, sechseckigen, sternförmigen und/oder schlitzförmigen Umriss haben. Auch die lichte Weite kann breit weit variieren und kann daher hervorragend den Erfordernissen des Einzelfalls angepasst werden. So kann die lichte Weite in der Größenordnung von 1 nm bis 5 mm liegen. Wesentlich ist, dass die lichte Weite nicht so groß wird, dass Teile der fixierten, aktivierten Kohlemasse ihren Halt an der Gesamtmasse verlieren und in die Gärflüssigkeit gelangen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform haben die Behältnisse die Form von Strümpfen, die aus einem durchlässigen Gewebe oder Gewirke bestehen. Ganz besonders bevorzugt sind Strümpfe aus Glasgewebe.

Vorzugsweise können die Behältnisse entleert und wieder mit frischer, fixierter, aktivierter Kohlemasse aufgefüllt werden. Dazu können verschließbare Einfüllöffnungen vorgesehen sein. Bei den Verschlussvorrichtungen kann es sich um Flansche und dazu passende Einschubrinnen, Schlauchklemmen, Gewinde oder Verschlusskappen handeln.

Um zu verhindern, dass die Schwebekörper an bewegliche Vorrichtungen des Biokonverters geraten und die Vorrichtungen und die Schwebekörper dadurch beschädigt werden oder dass die Schwebekörper die Einlässe und Auslässe des Biokonverters verstopfen, ist es von Vorteil, wenn der oder die Schwebekörper sich hinter einem Schutzgitter oder Schutznetz befindet oder befinden. Dieses Schutzgitter gestattet zwar noch immer die freie Beweglichkeit der Schwebekörper innerhalb des eingezäunten Bereichs, es verhindert aber dass die Schwebekörper in die kritischen Bereiche des Biokonverters gelangen.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Auftriebskörper beispielsweise mit Fäden, Drähten oder Ketten zu Verbänden miteinander verbunden sind.

Die vorstehend beschriebenen fixierten, aktivierten Kohlemassen werden im Detail in der deutschen Patentschrift 102016004026 B4, Seite 4, Absatz [0034], bis Seite 7, Absatz [0080], Seite 9, Absatz [0087], bis Seite 11 , Absatz [0122], in Verbindung mit den Figuren 1 bis 11 , beschrieben.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegen die aktivierten Kohlemassen in der Form von Pulvern einer mittleren Teilchengröße >1 mm, gepressten Pellets, gepressten Stäbchen oder gepressten Ringen in Schwimmkörpern vor, die an und/oderauf der Oberfläche der Gärflüssigkeit schwimmen. Vorzugsweise werden diese Schwimmkörpern durch Spritzguss aus den vorstehend beschriebenen Polymeren hergestellt. Sie bestehen vorzugsweise aus einem Deckel, der wiederablösbar mit der Dose, die die aktivierten Kohlemassen aufnimmt, verbunden ist. Beispielsweise kann der Deckel mit der Dose durch Feder-Nut-Verbindungen verbunden sein. Die Wände der Schwimmkörper weisen Durchflussöffnungen auf, die den Zutritt von Wasserstoff und/oder Wasserstoff-Stickstoff- Gemisch, den Ablauf der Gärflüssigkeit und den Austritt von Biogas ermöglichen. Die Schwimmkörper können eine beliebige Form aufweisen wie beispielsweise Hohlzylinder, die senkrecht in der Flüssigkeit schwimmen, Hohlkegel, die mit der Spitze nach unten schwimmen, oder plattenförmige Schwimmkörper, deren Höhe kleiner ist als ihr horizontaler Durchmesser. Die plattenförmigen Schwimmkörper können beliebige Umrisse aufweisen. So können sie dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig oder achteckig sein. Die Decke, die Seitenwände und/oder der Boden der Schwimmkörper können geradlinig und eben oder konvex gebogen sein. Die Ecken der Schwimmkörper können auch abgerundet sein. Es ist von Vorteil, wenn sich die Schwimmkörper nicht zu einer geschlossenen parkettartigen Struktur auf der Oberfläche Zusammenlegen können, sondern dass zwischen ihnen Öffnungen vorhanden sind, die den Austritt des Biogases erleichtern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die aktivierten Kunststoffmassen in fluiddurchlässigen kugelförmigen Behältern vorzugsweise eines Durchmessers von 0,5 cm bis 5 cm eingehüllt. Die fluiddurchlässigen kugelförmigen Behälter sind aus mindestens einem der vorstehend beschriebenen Polymeren, die Füllstoffe einer Dichte >1 g/cm³ enthalten, aufgebaut. Diese Wirbelkörper könne mit Vorteil in einer Wirbelschicht in der Gärflüssigkeit aufgewirbelt werden, wodurch eine besonders hohe Kontaktfläche geschaffen wird. Wenn die Agitationsmittel abgeschaltet werden, sinken die Wirbelkörper auf die Siebböden der Wirbelschichtreaktoren, wonach sie wieder aufgewirbelt werden können.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die aktivierten Kohlemassen auf und/oder in mindestens einem, insbesondere einem, Festbett fixiert. Als Träger für das Festbett können beliebige Materialien verwendet werden, solange sie von der Gärflüssigkeit nicht angegriffen werden. Das Festbett kann aber auch aus gepressten Pellets, Kugeln, Ringen und Stäbchen aus den aktivierten Kohlemassen aufgebaut sein. Das mindestens eine Festbett befindet sich vorzugsweise in mindestens einem, insbesondere einem Festbettreaktor, der sich in mindestens einem, insbesondere einem, Auflaufseitenkreis mindestens eines Zweistufenkonverters befindet. Hierbei wird die Gärflüssigkeit aus dem mindestens einen Biokonverter der ersten Stufe an dessen Boden abgesaugt und als Auflaufstrom durch den mindestens einen Festbettreaktor geleitet und von dessen oberen Ende wieder in den mindestens einen Biokonverter der ersten Stufe von oben eingeleitet.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden pulverförmige, aktivierte Kohlemasse, insbesondere aktivierte Kohlenstoffmikropartikel die in der Gärflüssigkeit suspendiert sind, verwendet. Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage umfasst diese mindestens eine Vorrichtung zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen, bevorzugt von pulverförmigen, aktivierten Kohlemassen und insbesondere von aktivierten Kohlenstoffmikropartikeln, mit Wasserstoff bei höherem Druck mit mindestens einer Druckleitung und mindestens einer Sprühlanze zur Injektion der wasserstoffhaltigen, aktivierten Kohlemassen als Sprühkegel in die Gärflüssigkeit des mindestens einen Biokonverters.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage werden die 1 . Phase: Hydrolyse, die 2. Phase: Acidogenese oder Versäuerungsphase und die 3. Phase: Acidogenese oder Essig bildende Phase in mindestens einem ersten Biokonverter durchgeführt. Die Gärflüssigkeit im Reaktorvolumen hat einen pH- Wert <7.

Die 4. Phase: Methanogenese wird in mindestens einem zweiten Biokonverter durchgeführt. Die Gärflüssigkeit im Reaktorvolumen hat einen pH-Wert >7.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Biokonverteranlage noch mindestens eine Nachgärer zur Vervollständigung der Methanogenese. Die konvertierten Gärflüssigkeiten können dabei von Bodenraum zu Bodenraum gefördert werden. Die Gasräume der vorstehend aufgeführten, mindestens zwei oder mindestens drei Biokonverter sind über Gasleitungen miteinander verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Gärprodukte in einen Fest-Flüssig- Separator geleitet. Die festen Gärprodukte werden über einen Feststoffaustrag ausgetragen und der weiteren Verwendung als Dünger oder zur Herstellung von Terra preta zugeführt. Die flüssigen Gärprodukte können als Flüssigdünger verwendet werden oder sie können in mindestens einen Biokonverter zurückgefördert werden.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Gärflüssigkeit des mindestens einen Biokonverters zusätzlich noch gasförmige Biomasse zugeführt werden. Beispiele geeigneter gasförmiger Biomassen sind Deponiegase, Klärgase, Faulgase und Sumpfgase.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann den Gärflüssigkeiten, insbesondere in der 4. Phase: Methanogenese Kohlendioxid aus anderen Kohlendioxidquellen zugeführt werden. Neben Druckflaschen kommen vor allem kohlendioxidhaltiges Abgase von Verbrennungsöfen, Verbrennungsmotoren, Zementöfen und Kalköfen in Betracht. Deren Wärmeenergie kann zur Erwärmung der Gärflüssigkeit und des mindestens einen Ammoniakcrackers verwendet werden. Diese weitere bevorzugte Ausführungsform eignet sich hervorragend für die Sequestrierung von Kohlendioxid, sodass die betreffende erfindungsgemäße Biokonverteranlage nicht nur kohlendioxidneutral ist, sondern sogar als Kohlendioxidsenke dient.

Für die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Biokonverteranlage ist es wesentlich, dass das Ammoniak mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt und der mindestens eine Ammoniakcracker mithilfe erneuerbarer Energien betrieben wird.

Bei den erneuerbaren Energien kann es sich um Solarenergie, Bioenergie aus Biomasse in unterschiedlichster Form, Wasserkraft, Windenergie und Geothermie handeln.

Vorzugsweise werden die Solarenergie mit Fotovoltaik, Solarthermie, Solarchemie und Aufwindkraftwerke, die Bioenergie mit Biomasse in unterschiedlichster Form, mit Pflanzenöl, Holz, Biodiesel, Bioethanol, Zellulose-Ethanol, Biogas, BtL(Biomass-to-Liquid)-Kraftstoffen und Biowasserstoff, die Wasserkraft mit Staudämmen und Staumauern, Laufwasserkraftwerken, Wassermühlen, Strombojen, Wellenenergie des Meeres, Strömungsenergie des Meeres und Meereswärme und die Windenergie durch Windkraftanlagen, Flugwindkraftwerke und Windmühlen erzeugt.

Für die erfindungsgemäßen Biokonverteranlage und das erfindungsgemäße Verfahren ist es wesentlich, dass die Gärflüssigkeit und gegebenenfalls die aktivierte Biokohlenmasse hydrogenotrophe Mikroorganismen und anaerobe Mikroorganismen, insbesondere Archaeen, enthalten.

Beispiele geeigneter hydrogenotropher Archaeen sind Methanosaeta spp. und Metanosarcina spp. Weitere Beispiele gehen aus der internationalen Patentanmeldung WO 2011/003081, Seite 25, Absatz [0099]. Methanothermobacter Thermautotropicus Linien und Varianten gehen aus dem europäischen Patent EP 2 661 511 B1 hervor.

Beispiele geeigneter methanogener Archaeen sind Chlostridium spp., Selenomonas spp., Acetobacterium spp., Pelobacterspp., Butyrobacterium spp., Eubacterium spp., Laczobacillus spp., Riminococus spp., Streptococcus spp. Propionibacterium spp., Butyrivibrio spp. und Acetivibrio spp.. Weitere Beispiele sind in den Tabellen 2 und 3 der internationalen Patentanmeldung WO 2011/003081 aufgeführt.

Der mindestens eine Biokonverter dient der Durchführung des erfindungsgemäßen Konvertierungsverfahrens oder Fermentierungverfahrens. Dieses fördert mithilfe von Kohlenstoff in der Form der vorstehenden beschriebenen aktivierten Kohlemassen bezüglich der Kohlemasse verlustfrei oder nahezu verlustfrei das Wachstum von nützlichen Mikroorganismen und/oder die Steigerung des Metabolismus und/oder des Katabolismus und/oder des Anabolismus und/oder steigert den Ertrag von Biogas. Durch die Elektrolyse und die Verwendung hydrogenotropher methanogener Mikroorganismen und Archaeen wird die Ausbeute von Biogas über das bisher bekannte Maß hinaus gesteigert.

Das erfindungsgemäße Konvertierungsverfahren wird vorzugsweise bei Temperaturen von 45 °C bis 100 °C, bevorzugt 50 °C bis 80 °C und insbesondere 50 °C bis 75 °C durchgeführt. Vorzugsweise ist der Druck in dem erfindungsgemäßen Biokonverter >1,0 bar, bevorzugt >2 bar und insbesondere >3 bar. Im Allgemeinen soll der Druck aus sicherheitstechnischen Gründen 30,0 bar nicht übersteigen. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Konvertierungsverfahren bei einem pH-Wert von 5,5 bis 8,5 und bevorzugt 6 bis 7,5 durchgeführt.

Besonders vorteilhaft ist, dass die durch das erfindungsgemäße Konvertierungsverfahren erzeugten konvertierten Biomassen oder Gärprodukte und/oder die in dem Verfahren verwandten aktivierten Kohlemassen hervorragend als Düngemittel und/oder zur Herstellung von Terra Preta verwendet werden können.

Werden die vorstehend beschriebenen magnetisierbaren, aktivierten Kohlepartikel verwendet, wird abgelassene konvertierte Biomasse mit den magnetisierbaren, aktivierten Kohlepartikeln über mindestens Ablauf in mindestens einen Magnetseparator, vorzugsweise in mindestens einen Magnetseparator gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 100 849 A1 geleitet, worin die Partikel zurückgehalten werden. Die von den Partikeln befreite, konvertierte Biomasse kann über mindestens einen Ablauf aus dem mindestens einen Magnetseparator abgelassen werden. Gegebenenfalls kann ein Teil der von den Partikeln befreiten, konvertierten Biomasse über mindestens eine Rückführleitung mithilfe mindestens einer Förderpumpe in das mindestens eine Reaktorvolumen zurückgepumpt werden. Sobald der mindestens eine Magnetseparator seine Kapazitätsgrenze erreicht hat, was durch magnetische Messungen an dem mindestens Ablauf aus dem mindestens einen Magnetseparator ermittelt werden kann, wird der mindestens eine Ablauf aus dem mindestens einen Biokonverter geschlossen, und es können die Partikel mithilfe geeigneter Vorrichtungen aus dem Magnetseparator entfernt, gegebenenfalls neu aktiviert, d.h. getrocknet und mit methanogenen und hydrogenotrophen Archaeen und mit vorzugsweise bis zu 1 ,0 Gew.-% an anorganischen Nitraten, Spurenelementen, Ultraspurenelementen, Mikroelementen, Ultramikroelementen und Mengenelementen sowie Nährstoffen, essenziellen Nährstoffen, Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Mineralstoffen und Vitaminen beladen, und in den Biokonverter BK zurückgeführt werden.

Die nachstehend beschriebene Ausführungsform ist nur beispielhaft und nicht abschließend aufgeführt. Der Fachmann kann aufgrund seines allgemeinen Fachwissens ohne eigene erfinderische Tätigkeit weitere Möglichkeiten angeben. Es versteht sich daher von selbst, dass die vorstehend genannten und nachstehend näher erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen und Konfigurationen, sondern auch in anderen Kombinationen und Konfigurationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nun anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Figuren 1 bis 4 genommen wird. Es zeigen in vereinfachter, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:

Figur 1 die Draufsicht auf die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Biokonverteranlage BKA mit einem Ammoniakcracker AC und einen Biokonverter BK;

Figur 2 die Draufsicht auf den Längsschnitt durch einen flüssigkeitsdurchlässigen Schwimmkörper SCH in der Gärflüssigkeit GF mit Pellets PK aus aktivierten Kohlemassen K;

Figur 3 die Draufsicht auf die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage BKA mit einem Biokonverter BK1 für die Hydrolyse, Acidogenese und Acetogenese, einem Biokonverter BK2 für die Methanogenese und einem Biokonverter BK für die Nachgährung; und Figur 4 die Draufsicht auf die schematische Darstellung einer Vorrichtung V BKA zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K; KM) mit Wasserstoff (H2) bei höherem Druck und zur Injektion von wasserstoffhaltigen, aktivierten Kohlemassen (H2K; H2KM) in die Gärflüssigkeit von Biokonvertern.

In den Figuren 1 bis 4 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:

AC Ammoniakcracker

AG Abgas aus dem Heizrohr HR

AGL Abgasleitung

AKB1 Ablauf für magnetische, aktivierte Kohlepartikel KM enthaltende, konvertierte Biomassen und Gärprodukte BM

AKB2 Ablauf für von magnetischen, aktivierten Kohlepartikeln KM befreite, konvertierte Biomassen und Gärprodukte KBM BG Biogas Methan

BG1 Methan-Kohlendioxid-Gemisch

BGA Biogasausleitung

BGS Biogassammelleitung

BGZ Biomassezulauf für gasförmige Biomasse BMG

BK Biokonverter

BK1 Biokonverter für Hydrolyse, Acidogenese und Acetogenese, pH-Wert der Gärflüssigkeit GF <7

BK2 Biokonverter für Methanogenese, pH-Wert der Gärflüssigkeit GF >7

BK3 Nachgärer

BM Biomasse flüssig-fest

BMG Biomasse gasförmig

BMGV Verteiler für die gasförmige Biomasse BMG

BMZ Biomassezulauf

BR Brenner

CH4 Methan

C02 Kohlendioxid

C02V Kohlendioxidverteiler

CR Crackrohr

DE Deckel des Schwimmkörpers SCH

DO Dose des Schwimmkörper SCH ES Elektronische Datenverarbeitungsanlage zur elektronischen Steuerung der Biokonverteranlage BKA

FA Feststoffaustrag für die festen Gärprodukte BM

FFS Flüssig-Fest-Separator für die Gärprodukte BM FL Flamme

FNV Umlaufende Feder-Nut-Verbindung G Gasraum

GF Gärflüssigkeit

GFR1 Rückführung für die flüssigen Gärprodukte BM vom Flüssig-Fest-Separator FFS zu BK3

GFR2 Rückführung für die flüssigen Gärprodukte BM vom Flüssig-Fest-Separator FFS zu BK2 über GFR1

GFR3 Rückführung für die flüssigen Gärprodukte BM vom Flüssig-Fest-Separator FFS zu BK1 über GFR 1 und GFR 2 H2 Wasserstoff

H2K wasserstoffhaltige, aktivierte Kohlemasse K

H2KM wasserstoffhaltige, aktivierte, magnetische Kohlemasse KM

H2/N2 Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch

HD Wasserstoffdüse, Wasserstoff-Stickstoff-Düse

HK Heizkammer

HL Heißluftleitung

HR Heizrohr

HS Wasserstoffsensor

HV Wasserstoffverteiler, Wasserstoff-Stickstoff-Verteiler K Aktivierte Kohlemasse KAT Crackkatalysator

KBM Konvertierte Biomasse oder Gärprodukte BM

KM Magnetisierbare Kohlemasse, magnetisierbare aktivierte Kohlemasse, Filterkuchen, magnetisierbare aktivierte Kohlepartikel L Luft

LAN2 Stickstoffauslassleitung LC02 Kohlendioxidleitung LGM Gasgemischleitung,

LH2 Leitung für Wasserstoff H2

LH2/N2 Leitung für Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch H2/N2

LK Leitung für pulverförmige, aktivierte Kohlemassen K LN2 Stickstoffspülleitung

MFK Metallische Füllkörperschüttung, Wärmeüberträger N2 Stickstoff

NH3 Ammoniak

NH3L Ammoniakleitung

Ö Öffnung

OF Oberfläche der bewegten Gärflüssigkeit GF

PK Pellets aus aktivierter Kohlemasse K

RB Reaktorboden

RL Rückführleitung

RV Reaktorvolumen

RW Reaktorwand

SCH Schwimmkörper

SLI Inputsignalleitung von HS zu ES

SLI1 Inputsignalleitung von HS1 zu ES

SLI2 Inputsignalleitung von HS2 zu ES

SLO Outputsignalleitung

T Magnetische Trennvorrichtung 9

V1 Elektronisch gesteuerter Druckminderer und Durchflussventil

V2 Elektronisch gesteuertes Durchflussventil für Wasserstoff H2 oder für Wasserstoff- Stickstoff-Gemische H2/N2

V3 Elektronisch gesteuertes Durchflussventil für Biogas

V4 Elektronisch gesteuertes Durchflussventil für die Zufuhr von Luft L VBK Vorrichtung zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen K mit Wasserstoff H2 bei höherem Druck

WT1 Wärmetauscher (Rekuperator) zum Aufheizen von Ammoniak NH3 und zum Abkühlen von Abgas AG

WT2 Wärmetauscher (Rekuperator) zum Aufheizen der Luft L und zum Abkühlen von Wasserstoff H2 oder Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch H2/N2 ZR Zentrales Rohr

— ► Fließrichtung und/oder Transportrichtung von flüssigen, festen und/oder gasförmigen Stoffen und Stoffgemischen

1 Dickstoffpumpe zur Förderung der flüssigen Gärprodukte BM von BK1 zu BK2

2 Dickstoffpumpe zur Förderung der flüssigen Gärprodukte BM von BK2 zu BK3 3 Dickstoffpumpe zur Förderung der flüssigen Gärprodukte BM von BK3 zu FFS

4 Dickstoffpumpe zur Rückführung der flüssigen Gärprodukte BM von FFS zu BK3 und BK2

5 Dickstoffpumpe zur Rückführung der flüssigen Gärprodukte BM von FFS zu BK1 6 Injektor für H2/N2 oder H2

7 Injektor für BG1

7.1 Elektronisch gesteuerter Dreiwegehahn

8 Injektor für Kohlendioxid

9; 10 Elektronisch gesteuerte Dreiwegehähne 11 Elektronisch gesteuertes Durchlassventil 12 Druckgefäß

12.1 Rohrförmiger oberer Bereich 12.2 Konisch zulaufender unterer Bereich 12.3 Abnehmbarer, druck- und vakuumdichter Deckel 13 Absperrventil für Vakuum und Überdruck

14 Durchlassventil für Wasserstoff H2 oder Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch H2/N2

15 Durchlassventil für wasserstoffhaltige, aktivierte Kohlemasse H2/K; H2/KM

16 Durchlassventil für pulverförmige, aktivierte Kohlemassen K; KM 17 Durchlassventil für Stickstoff N2 18 Dosiergerät für pulverförmige, aktivierte Kohlemassen K; KM Zellenradschleuse

19 Manometer

20 Sicherheitsventil, Druckhalteventil 21 Sieb 22 Vakuumpumpe 23 Blindflansch

24 Dreiwegehahn

25 Druckleitung für wasserstoffhaltige, pulverförmige, aktivierte Kohlemassen K

26 Rückschlagventil; Drosselrückschlagventil 27 Abgedichtete Durchführung der Druckleitung 25 durch die Reaktorwand RW 28 Sprühlanze

29 Sprühkegel aus Wasserstoff H2 und wasserstoffhaltige, pulverförmige, aktivierte Kohlemassen H2K; H2KM

30 Verwirbelung in der Gärflüssigkeit GF des Biokonverters BK

31 Sprühlanze für Wasserstoff H2 oder Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch H2/N2 32 Sprühkegel 33 Kompressor; Verdichter 34 Fliehkraftabscheider; Zyklon

35 Feststoffaustrag

Ausführliche Beschreibung der Figuren Herstellbeispiel 1

Die Herstellung von aktivierter Kohlemasse K

Die im Folgenden verwendeten aktivierte Kohlemassen K wurden aus Buchenholzkohle einer inneren Oberfläche nach BET von 800 m²/g, einer hohen Kapillardichte und eines pH-Werts von 8 bis 8,7 hergestellt. Die Buchenholzkohle wurde mit methanogenen und hydrogenotrophen Archaeen und mit 1 Gew.-% an anorganischen Nitraten, Spurenelementen, Ultraspurenelementen, Mikroelementen, Ultramikroelementen und Mengenelementen sowie Nährstoffen, essenziellen Nährstoffen, Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Mineralstoffen und Vitaminen beladen, sodass die aktivierte Kohlemasse K resultierte.

Die Kohlemasse K wurde mit Vorteil als Pellets PK in den nachstehend beschriebenen Schwimmkörpern SCH gemäß Figur 2 verwendet. Den im Folgenden beschriebenen Gärflüssigkeiten GF konnten noch über Zulaufleitungen, die der Einfachheit halber nicht dargestellt wurden, Nährstoffe für die Mikroorganismen hinzugefügt werden.

Herstellbeispiel 2

Die Herstellung magnetisierbarer, aktivierter Kohlepartikel KM

Die magnetisierbaren, aktivierten Kohlepartikeln KM wurden in Anlehnung an das Beispiel 2 des deutschen Patents DE 10 2014 100 850 B4, Seite 8, Absatz [0082], hergestellt. Dazu wurden 55,5 kg industriell hergestellter mikrokristalline Cellulose zusammen mit 600 I deionisiertem Wasser in einem 1000-Liter-HTC-Reaktor eingefüllt. Für die hydrothermale Reaktion mit oxidische Ferriten wurden 33,4 kg Mangan-Zink-Ferrit-Pulver einer Teilchengröße von 30 bis 80 pm hinzugegeben. Das Gemisch wurde langsam gerührt, um eine Blockade des Rührers zu verhindern. Als Reaktionsbedingungen wurden eine Temperatur von 250 °C und eine Reaktionszeit von 20 Stunden mit einer Heizrate von 5 °C/Minute gewählt. Die Reaktionstemperatur wurde mit einem PID-Temperaturregler gesteuert. Die Genauigkeit des Reglers wurde auf ±1 ,0 Grad Celsius gesetzt. Der Druck wurde nicht gesteuert, sondern während der Reaktion aufgezeichnet. Das Gemisch wurde kontinuierlich während der gesamten hydrothermalen Behandlung bei 90 Umdrehungen/min gerührt. Nach der Beendigung der Reaktion wurde die Heizanlage ausgeschaltet, und man ließ den Reaktor abkühlen. Im allgemeinen dauerte es 15 Stunden, bis der Reaktor von 250 °C auf 25 °C abgekühlt war, während der Druck von 45 bar auf 5,0 bar fiel. Das gasförmige Nebenprodukt wurde abgelassen und die feste magnetisierbare Kohlemasse KM wurde abfiltriert. Die resultierenden Filterkuchen KM wurden zerkleinert, getrocknet und mit methanogenen und hydrogenotrophen Archaeen und mit 1 Gew.-% an anorganischen Nitraten, Spurenelementen, Ultraspurenelementen, Mikroelementen, Ultramikroelementen und Mengenelementen sowie Nährstoffen, essenziellen Nährstoffen, Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Mineralstoffen und Vitaminen beladen, sodass magnetisierbare, aktivierte Kohlepartikel KM resultierten.

Herstellbeispiel 3

Der für die Herstellung von Ammoniak verwendete Wasserstoff H2 wurde durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Die hierfür notwendige Elektrizität wurde von entsprechend dimensionierten Fotovoltaikanlagen geliefert. Für die Herstellung des Ammoniaks aus Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 wurde das Haber-Bosch-Verfahren angewandt, wobei die für die Anlagen benötigte thermische und elektrische Energie von Aufwindkraftwerken geliefert wurde. Somit wurden bei der Herstellung von Ammoniak lediglich erneuerbare Energien angewendet.

Figur 1

1. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage BKA für ein einstufiges

Konvertierungsverfahren

1.1 Der Biokonverter BK

Der Biokonverter BK war von üblicher und bekannter Bauart und war für eine Leistung von 75 kW_ei und einen Jahresertrag von 643.000 kWh Strom ausgelegt.

Die Gärflüssigkeit GF enthielt Rindergülle und geschredderte Maissilage als Biomasse BM, zwei Arten von methanogenen Mikroorganismen (z.B. Methanosaeta spp. und Methanosarcina spp.) und zwei Arten von hydrogenotrophen Mikroorganismen (z.B. Methanothermobacter thermautotropicus und Methanobakterium formicium). Die Biomasse BM wurde über die Biomassezuleitung BMZ in den Biokonverter BK eingeleitet. Die Gärflüssigkeit GF wurde mit einem mit einem ex-geschützten Elektromotor angetriebenen Paddelrührer (nicht abgebildet) derart gerührt, dass die Fermentation nicht gestört wurde.

Die Gärflüssigkeit GF enthielt des Weiteren Schwimmkörper SCH gemäß der Figur 2, die auf der Gärflüssigkeit GF schwammen, und dispergierte, magnetisierbare, aktivierte Kohlepartikel KM gemäß dem Herstellbeispiel 2. Sie füllte das Reaktorvolumen RV zu etwa 4/5 aus. Oberhalb ihrer Oberfläche befand sich der Gasraum G, in dem sich das Biogas BG ansammelte. In dem Gasraum G befand sich außerdem ein Wasserstoffsensor HS zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration in der Gasphase. Dessen ermittelter Wert der Wasserstoffkonzentration diente als Regelgröße für die Produktivität des Ammoniakcrackers AC. Dazu wurde das Messsignal über die Input- Signalleitung SLI an eine elektronische Datenverarbeitungsanlage zur elektronischen Steuerung ES geleitet, wo es verarbeitet wurde. Die Datenverarbeitungsanlage gab dann ein Steuersignal über die Output-Leitung SLO an den elektronisch gesteuerten Aktuator des elektronisch gesteuerten Druckminderers und Durchflussventils V1 des Ammoniakvorrats NH3, wodurch die Menge des Ammoniaks, die zu dem Ammoniakcracker AC geleitet wurde, geregelt wurde. Dabei wurde eine Konzentration von 2 bis 3 Vol.-% an Wasserstoff H2 im Gasraum G als vorteilhaft angesehen, weil sich hierdurch der Heizwert des Biogases BG erhöhte.

Das durch die Fermentation erzeugte Biogas BG aus Methan und geringen Mengen an Wasserstoff, der den Brennwert erhöhte, wurde über den Auslassleitung BGA abgeleitet. Der Gehalt des Biogases BG an Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak und Sauerstoff lag unterhalb der jeweiligen Nachweisgrenzen. Der Methangehalt >90 Vol.-% des Biogases hatte daher den nach DVGW G 262 (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) zur Einspeisung in das L-Gasnetz erforderlichen Methananteil.

Der Wasserstoff H2 wurde in der Form feiner Gasbläschen über einen ringförmigen Wasserstoffverteiler HV mit Wasserstoffdüsen HD, der horizontal über dem Reaktorboden RB angeordnet war, in die Gärflüssigkeit GF eingeleitet. Darin wurde der Wasserstoff H2 bei der Fermentation umgesetzt und wandelte vor allem das entstandene Kohlendioxid gemäß Gleichung 1 in Methan um:

C0₂ + 8 H₂ = CH₄ + 2 H₂0 (1). Die konvertierte Biomasse KBM wurde zusammen mit magnetisierbaren, aktivierten Kohlepartikeln KM über den Ablauf AKB1 kontinuierlich oder diskontinuierlich abgelassen. Über den Biomassezulauf BMZ wurde kontinuierlich oder diskontinuierlich neue Biomasse BM zugeführt. Außerdem wurden gegebenenfalls stattfindende Verluste von magnetisierbaren, aktivierten Kohlepartikeln KM durch die Zugabe frischer Partikel KM in die Gärflüssigkeit GF mit einem Pulverdosierer ausgeglichen (nicht abgebildet).

Die abgelassene konvertierte Biomasse KBM mit den magnetisierbaren, aktivierten Kohlepartikeln KM wurde über den Ablauf AKB1 in einen Magnetseparator T gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 100 849 A1 geleitet, worin die Partikel KM zurückgehalten wurden. Die von den Partikeln KM befreite, konvertierte Biomasse KBM wurde über den Ablauf AKB2 aus dem Magnetseparator abgelassen. Gegebenenfalls wurde ein Teil der von den Partikeln KM befreiten, konvertierten Biomasse KBM über die Rückführleitung RL mithilfe einer Förderpumpe (nicht abgebildet) in das Reaktorvolumen RV zurückgepumpt. Sobald der Magnetseparator T seine Kapazitätsgrenze erreicht hatte, was durch magnetische Messungen an dem Ablauf AKB2 ermittelt werden konnte, wurde der Ablauf AKB1 geschlossen, und es wurden die Partikel KM mithilfe geeigneter Vorrichtungen (nicht abgebildet) aus dem Magnetseparator entfernt, gegebenenfalls neu aktiviert, d.h. getrocknet und mit methanogenen und hydrogenotrophen Archaeen und mit 1 Gew.-% an anorganischen Nitraten, Spurenelementen, Ultraspurenelementen, Mikroelementen, Ultramikroelementen und Mengenelementen sowie Nährstoffen, essenziellen Nährstoffen, Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Mineralstoffen und Vitaminen beladen, und in den Biokonverter BK zurückgeführt.

1.2 Die Wasserstoffproduktion

Die Produktion des Wasserstoffs H2 als Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch H2/N2 erfolgte in Anlehnung an das in dem europäischen Patent EP 3 028 990 B1, Seite 8, Figur 1, in Verbindung mit den Seiten 4 und 5, Absätze [0025] bis [0029], beschriebene Verfahren.

Die Bauteile des Ammoniakcracker (AC) für die Produktion des Wasserstoffs H2 waren aus korrosionsstabilem, thermostabilem und druckfestem V4A-Stahl aufgebaut, sodass der Ammoniakcracker (AC) bei Temperaturen bis zu 700 °C und Drücken bis zu 30 bar betrieben werden konnte.

Das Ammoniak wurde aus dem Ammoniakvorrat NH3 mit einer Durchflussmenge und einem Druck, die durch den von der elektronischen Datenverarbeitungsanlage ES gesteuerten Druckminderer V1 nach Bedarf geregelt wurden, über die Ammoniakleitung NH3L in den Rekuperator WT1 geleitet. Der Bedarf des Biokonverters an Wasserstoff H2 wurde durch den Wasserstoffsensor HS ermittelt; sobald die Wasserstoffkonzentration im Gasraum G die Nachweisgrenze des Wasserstoffsensors HS unterschritt, gab der Sensor HS über die Input- Signalleitung SLI ein Signal an die Datenverarbeitungsanlage ES, die wiederum über die Output-Signalleitung SLI ein Steuersignal zum Öffnen an den Aktuator des Druckminderes V1 sandte. Überschritt die Konzentration des Wasserstoffs H2 im Gasraum G 4 Vol.-% erfolgte auf demselben Weg der Befehl, den Druckminderer V1 zu schließen.

In dem Rekuperator WT1 wurde das Ammoniak durch das aus dem Heizrohr HR bzw. das zentrale Rohr ZR des horizontal angeordneten Ammoniakcrackers AC über die Abgasleitungen AGL abgeleitete heiße Abgas AG auf 450 °C aufgeheizt. Das Heizrohr HR; ZR war in dem Ammoniakcracker AC mittig angeordnet und enthielt eine metallische Füllkörperschüttung MFK aus Kupfer, die mithilfe der Flamme FL des Brenners BR erhitzt wurde und die Wärmeenergie auf den Crackkatalysator KAT, der sich in dem das Heizrohr ZR; HR konzentrisch umgebende Außenrohr oder Crackrohr CR befand, übertrug. Als Crackkatalysator KAT wurde Nickel, das auf Aluminiumoxid geträgert war, verwendet. Seine Temperatur betrug 600 °C. Der Ammoniakcracker AC war durch eine 30 cm dicke Schicht (nicht dargestellt) aus Hochtemperaturglaswolle thermisch isoliert.

Das heiße Ammoniak strömte durch den Crackkatalysator KAT und wurde bei 600 °C in Wasserstoff H2 und Stickstoff gespalten. Das resultierende Gasgemisch H2/N2 enthielt den Wasserstoff H2 und den Stickstoff im Volumenverhältnis von 3 :1. Es enthielt noch bis zu 5 Vol.-% Ammoniak.

Der Brenner BR in der Heizkammer HK wurde mit dem im Biokonverter BK produzierten Biogas BG, d. h. mit erneuerbarer Energie, dessen Zustrom durch das elektronisch gesteuerte Durchflussventil V3 geregelt wurde, Luft L als Oxidationsmittel, deren Zustrom durch das elektronisch gesteuerte Durchflussventil V4 geregelt wurde, sowie gegebenenfalls durch das der Leitung für das Wasserstoff-Stickstoffgemisch H2/N2 LH2/N2 entnommene Gasgemisch, dessen Zustrom durch das elektronisch gesteuerte Durchflussventil V2 geregelt wurde, gespeist. Die Zündung der Flamme erfolgte piezoelektrisch. Die Luft L wurde durch den Rekuperator WT2 geleitet, worin sie durch das heiße Gasgemisch H2/N2 aufgeheizt wurde. Dabei sank die Temperatur des Gasgemischs H2/N2 auf 100 °C. Das ammoniakhaltige Gasgemisch H2/N2 wurde nach dem Rekuperator WT2 in einer Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) auf 55 °C abgekühlt. Vor dem Eintritt des Gasgemischs H2/N2 in den Wasserstoff-Stickstoff-Verteiler HV im Biokonverter BK wurde das Ammoniak durch Aktivkohle, die mit Phosphorsäure imprägniert war, gebunden. Das resultierende Nebenprodukt Aktivkohle/Ammoniumphosphat stellte selbst ein Wertprodukt dar und konnte beispielsweise zur Herstellung von Terra preta verwendet werden.

In einer anderen Ausführungsform wurde das abgekühlte Gasgemisch H2/N2 durch Schwefelsäure geleitet, worin das Ammoniak als Ammoniumsulfat gebunden wurde. Die Ammoniumsulfatlösung stellte ebenfalls ein Wertprodukt dar und konnte beispielsweise als Flüssigdünger verwendet werden.

In noch einer weiteren Ausführungsform wurde der Wasserstoff H2 aus dem abgekühlten, ammoniakhaltigen Gasgemisch H2/N2 mithilfe eines Moduls (nicht dargestellt) mit wasserstoffselektiven SEPURAN® Noble-Membranen von Evonik abgetrennt, mit einem Druck von etwa 1 ,5 bar in den Wasserstoffverteiler HV geleitet, von wo er aus den Wasserstoffdüsen HD in die Gärflüssigkeit GF austrat. Ein Teil des Wasserstoffs H2 konnte zudem als Brennstoff für den Ammoniakcracker AC dienen.

Die gesamte Biokonverteranlage BKA wurde zentral von der elektronischen Datenverarbeitungsanlage gesteuert. Die Steuersignale wurden durch Temperatur- und Druckmessgeräte, Gasdurchflussmesser, Wasserstoffsensoren HS, Ammoniaksensoren und Biogassensoren ermittelt. Die Steuersignale wurden über Outputleitungen (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) an die Aktuatoren der Ventile V1 , V2, V3 und V4 gesendet.

Das Ammoniak und der für dessen Herstellung benötigte Wasserstoff H2 sowie die Energie für den Ammoniakcracker AC wurden unter Verwendung erneuerbarer Energien aus Solarenergie, wie Fotovoltaik, Solarthermie, Solarchemie und Aufwindkraftwerke, Bioenergie aus Biomasse in unterschiedlichster Form, wie Pflanzenöl, Holz, Biodiesel, Bioethanol, Zellulose-Ethanol, Biogas, BtL(Biomass-to-Liquid)-Kraftstoffe, und Biowasserstoff, Wasserkraft, wie Staudämme und Staumauern, Laufwasserkraftwerke, Wassermühlen, Strombojen, Wellenenergie des Meeres, Strömungsenergie des Meeres und Meereswärme, sowie Windenergie, wie Windkraftanlagen, Flugwindkraftwerke und Windmühlen, bereitgestellt.

1.3 Fazit Die erfindungsgemäße Biokonverteranlage BKA wies den wesentlichen Vorteil auf, dass in ihr Wasserstoff gezielt nach Bedarf aus Ammoniak hergestellt werden konnte, sodass alle Probleme der Vorratshaltung für Wasserstoff von vornherein vermieden wurden, da das Ammoniak in großen Mengen problemlos bei vergleichsweise geringem Druck bevorratet werden konnte. Durch den erzeugten Wasserstoff konnte insbesondere Kohlendioxid zu Methan und Wasser umgesetzt werden, sodass Biogas BG besonders hoher Qualität mit einem mithilfe eines Methansensors gemessenen Methangehalt von >99 Vol.-% resultierte. Da der Ammoniakcracker AC zudem mit dem erzeugten Biogas BG und zusätzlich mit dem Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch H2/N2 und/oder Wasserstoff H2 beheizt werden konnte, war die erfindungsgemäße Biokonverteranlage BKA besonders energieeffizient.

Figur 2

2. Schwimmkörper SCH mit aktivierten Kohlemassen K

Die Figur 2 zeigt die Draufsicht auf den Längsschnitt durch einen flüssigkeitsdurchlässigen Schwimmkörper SCH mit Pellets PK aus aktivierten Kohlemassen K. Die Schwimmkörper SCH konnten hervorragend in dem Biokonvertern BK der erfindungsgemäßen Biokonverteranlage BKA verwendet werden.

Der Schwimmkörper SCH wies einen 12-eckigen Umriss auf und wurde mit Vorteil in dem Bioreaktor BK der Figur 1 verwendet. Er bestand aus einem leicht konvex geformten Deckel DE und einer leicht konvex geformten Dose DO, die beide durch eine umlaufende Feder-Nut- Verbindung FNV zusammengehalten wurden, und war mit Pellets PK aus aktivierter Kohlemasse K gefüllt. Als Kohlemasse K wurde die in dem Herstellbeispiel beschriebene Buchenholzkohle verwendet. Der Schwimmkörper SCH wies einen Außendurchmesser von 10 cm und einen Innendurchmesser von 9 cm auf. Seine Wandstärke lag daher bei 0,5 cm. Der Abstand von der zentralen Plattform des Deckels DE zu den Seitenkanten betrug bei 9 cm. Die Länge der Seitenkanten betrug jeweils 8 cm. Die Ecken und die Kanten waren leicht abgerundet (nicht dargestellt). Die Wände des Schwimmkörpers SCH wiesen Öffnungen Ö auf, durch die der Wasserstoff H2 oder das Wasserstoff-Stickstoffgemisch H2/N2 sowie die Gärflüssigkeit GF einströmten und mit den Pellets PK in Kontakt kamen. Das gebildete Biogas BG konnte durch die Öffnungen Ö im Deckel DE in den Gasraum G des Reaktorvolumens RV entweichen.

Die Schwimmkörper SCH wurden durch Spritzgießen aus einem schlagzähen Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymerisat hergestellt. Durch diese Ausführungsform der Schwimmkörper SCH wurde einerseits eine vergleichsweise dichte Belegung der Oberfläche OF der Gärflüssigkeit GF erzielt. Andererseits war diese Belegung nicht so dicht, dass ein Entweichen des Biogases BG behindert wurde.

Figur 3

3. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage BKA für ein mehrstufiges

Konvertierungsverfahren

3.1 Vorbemerkung

Die erfindungsgemäße kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage BKA für das mehrstufige Konvertierungsverfahren umfasste die Biokonverter BK1; BK2 und BK3. Diese waren von üblicher und bekannter Bauart, wie bei der Figur 1 beschrieben. Die kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage BKA war für eine Leistung von 75 kW_ei und einen Jahresertrag von 643.000 kWh Strom ausgelegt.

Für die 4. Phase: Methanogenese oder methanbildende Phase wurden die bei der Figur 1 aufgeführten Mikroorganismen verwendet.

Als Biomasse BMZ wurde ein Gemisch der Wirtschaftsdünger Rindergülle, Schweinegülle, Rindermist, Geflügelmist und Pferdekot ohne Stroh, Maissilage, Getreide-Ganzpflanzensilage (GPS), Grünroggensilage, Getreidekörner, Grassilage, Zuckerrüben und Futterrüben verwendet.

3.2 Der Biokonverter BK1

Der Biokonverter BK1 war für die 1. Phase: Hydrolyse, die 2. Phase: Acidogenese oder Versäuerungsphase und die 3. Phase: Acidogenese oder Essig bildende Phase ausgelegt. Die Gärflüssigkeit GF im Reaktorvolumen RV wies einen pH-Wert <7 auf. Die flüssig-feste Biomasse BM wurde über die Biomassezuleitung BMZ in die mit einem Paddelrührer gerührte Gärflüssigkeit GF eingetragen. Im unteren Bereich des Reaktorvolumens RV wurde die gasförmige Biomasse BMG, bei der vorliegenden Ausführungsform Deponiegas, durch den Biomassezulauf BGZ in den ringförmigen Verteiler BMGV für die Deponiegase BMG geleitet, aus dem sie in der Form von Gasbläschen austraten, die sich in der Gärflüssigkeit GF auflösten.

Die Hydrolyse wurde zunächst durch verschiedene Arten von Exoenzymen, die von Mikroorganismen ausgeschieden wurden, in Gang gesetzt. Die resultierenden niedermolekularen Oligo- und Monosaccharide, Aminosäuren, Fettsäuren und Glycerin wurden in der Acidogenese durch säurebildende Mikroorganismen zu niederen Fettsäuren, Carbonsäuren, insbesondere Essigsäure, Alkohole, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. In der Acidogenese wurden die niederen Fettsäuren und Carbonsäuren sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen zu Essigsäure umgesetzt.

Die resultierenden gasförmigen Gärprodukte (BG1), die in der Hauptsache aus Kohlendioxid und Wasserstoff bestanden, wurden aus dem Gasraum (G) durch die Rohrleitung (LBG1) mithilfe des Injektors (7) durch den Dreiwegehahn (7.1) in den Biokonverter (BK2) gepumpt und traten aus dem ringförmigen Kohlendioxidverteiler (C02V) als Gasbläschen (C02) aus.

Bei einer weiteren Verfahrensweise wurden zur Kohlendioxid-Sequestrierung kohlendioxidhaltige Abgase (C02) aus Kalköfen durch die Rohrleitung (LC02) mithilfe des Injektors (8) zu dem elektronisch gesteuerten Dreiwegehahn (7.1) gepumpt und dort mit den gasförmigen Gärprodukten (BG1) vermischt. Das resultierende Gasgemisch wurde durch die Gasgemischleitung (LGM) ebenfalls zu dem Kohlendioxidverteiler (C02V) geleitet. In noch einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wurde anstelle des Dreiwegehahns (7.1) ein Gasmischer (nicht dargestellt) verwendet. Den heißen Abgasen (C02) der Kalköfen wurde die Wärmeenergie durch Wärmetauscher (nicht dargestellt) entzogen und zum Erwärmen der Gärflüssigkeiten (GF) verwendet.

Die konvertierten flüssig-festen Gärprodukte (KBM) wurden am Reaktorboden (RB) des Biokonverters (BK1 ) mithilfe der Dickstoffpumpe (1) durch eine verbindende Rohrleitung in den Bodenraum des Biokonverters (BK2) gepumpt. 3.3 Der Biokonverter (BK2)

In dem Biokonverter (BK2) fand die 4. Phase, die Methanogenese, statt. Die Gärflüssigkeit (GF) enthielt aktivierte Kohlenstoffmikropartikel (K), die mit hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen beladen waren. Ein auf 50 °C abgekühltes Wasserstoff- Stickstoffgemisch (H2/N2), dass Ammoniakcracker (AC) (vgl. Figur 1) erzeugt und von Ammoniak befreit worden war, wurde mithilfe des Injektors (6) durch die Wasserstoff- Stickstoff-Leitung (LH2/N2) bei einem Druck von 10 bar in den ringförmigen, unterhalb des Kohlendioxidverteilers (C02V) angeordneten Wasserstoff-Stickstoff-Verteiler (HV) gepumpt. Dort trat das Gasgemisch (H2/N2 als feine Gasbläschen in die Gärflüssigkeit aus, die mit dem Kohlendioxidbläschen (C02) und den aktivierten Kohlenstoffmikropartikeln (K) vermischt wurden. Die aufsteigenden Gasbläschen lösten sich in der Gärflüssigkeit (GF) auf, und das durch die Methanogenese resultierende Biogas (BG) sammelte sich in dem Gasraum (G) an. Mit der im Gasraum (G) befindlichen Wasserstoffsonde (HS1) wurde der Wasserstoffgehalt des Biogases (BG) gemessen. Die Messwerte wurden über die Inputsignalleitung (SLI1) an die zentrale elektronische Datenverarbeitungsanlage (ES) geleitet, die den Zulauf des Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemischs (LH2/N2) durch die über die Outputsignalleitung (SLO) gesendeten Steuersignale regulierte.

Das Biogas (BG) wurde aus dem Biokonverter (BK2) in die Biogassammelleitung (BGS) geleitet.

Die resultierenden konvertierten flüssig-festen Gärprodukte (KBM) wurden zusammen mit einem Teil der aktivierten Kohlenstoffmikropartikel (K) aus den Bodenraum von (BK2) über eine verbindende Rohrleitung mithilfe der Dickstoffpumpe (2) in den Bodenraum des Nachgärers (BK3) gefördert.

3.4 Der Nachgärer (BK3) und der Fest-Flüssig-Separator (FFS)

Der Nachgärer (BK3) diente der Vervollständigung der Methanogenese und damit der Erhöhung der Methanausbeute.

Mit der im Gasraum (G) von (BK3) befindlichen Wasserstoffsonde (HS2) wurde der Wasserstoffgehalt des Biogases (BG) gemessen. Die Messwerte wurden über die Inputsignalleitung (SLI2) an die zentrale elektronische Datenverarbeitungsanlage (ES) geleitet, die den Zulauf des Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemischs (LH2/N2) in den Biokonverter (BK2) durch die über die Outputsignalleitung (SLO) gesendeten Steuersignale regulierte.

Das Biogas (BG; CH4), das sich im Gasraum (G) angesammelt hatte, wurde ebenfalls in die Biogassammelleitung (BGS) und zur Biogasausleitung (BGA) geleitet und von dort aus der weiteren Verwendung zugeführt.

Die nachgegorenen, konvertierten flüssig-festen Gärprodukte (KBM) wurden zusammen mit einem Teil der aktivierten Kohlenstoffmikropartikel (K) aus dem Bodenraum von (BK3) mithilfe der Dickstoffpumpe (3) in den Fest-Flüssig-Separator (FFS) gepumpt. Darin wurden die flüssigen konvertierten Gärprodukte (KBM) von den festen konvertierten Gärprodukte (KBM) abgetrennt. Letztere wurden über einen üblichen und bekannten Feststoffaustrag (FA) zur weiteren Verwendung als Düngemittel oder zur Herstellung von Terra preta ausgetragen.

Die flüssigen konvertierten Gärprodukte (KBM) konnten durch die Rückführungen (GFR1; GFR2; GFR ) mithilfe der Dickstoffpumpen (4; 5) bei der entsprechenden Stellung der Dreiwegehähne (9; 10) und des Durchlassventils (11) in die Bodenräume der Biokonverter (BK3; BK2; BK1) gefördert werden.

3.5 Fazit

Das resultierende Biogas wies einen Methangehalt von 99 Vol.-% auf. Die geringen Anteile von Wasserstoff (H2) erhöhten noch den Heizwert. Ein wesentlicher Vorteil der kohlendioxidneutralen Biokonverteranlage (BKA) war, dass sie auch noch hervorragend für die Sequestrierung von Kohlendioxid (C02) geeignet war.

Figur 4

4. Vorrichtung (VBK) zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K) mit Wasserstoff (H2)

Die Vorrichtung (VBK) zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K) mit Wasserstoff (H2) war aus druckfesten Edelstahl aufgebaut. Für die Behandlung wurden zunächst ein Pulver aus mit hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen aktivierten Kohlenstoffmikropartikeln (K) mithilfe einer Zellenradschleuse (18) durch die Rohrleitung (LK) und das geöffnete Durchlassventil (16) in das Druckgefäß (12) eingefüllt. Dabei waren die Durchlassventile (14; 15; 17) in der Wasserstoff- oder Wasserstoff-Stickstoff-Leitung (LH2; LH2/N2) in der Druckleitung (25) und in der Stickstoffspülleitung (LN2) geschlossen. Das Druckgefäß (12) hatte ein Volumen von 100 L und wies einen rohrförmigen oberen Bereich (12.1) und einen konisch zulaufenden unteren Bereich (12.2) auf. Es war mit einem konvexen, abnehmbaren, druck- und vakuumdichten Deckel (12.3) verschlossen. Die Rohrleitung (LK) war durch den Deckel (12.3) geführt. Außerdem waren auf dem Deckel (12.3) ein Manometer (19) und ein Sicherheits- und Druckhalteventil (20) angeordnet.

Nach dem Einfüllen wurde das Durchlassventil (16) geschlossen, und das Druckgefäß (12) wurde nach dem Öffnen des Absperrventils (13) für Vakuum und Überdruck mithilfe der Vakuumpumpe (22) durch das Sieb (21) evakuiert, bis ein Vakuum <1,0 mbar erreicht war. Danach wurde das Absperrventil (13) geschlossen, und das Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch (H2/N2) wurde unter Druck mit dem Kompressor und Verdichter (33) durch das geöffnete Durchlassventil (14) zu der Sprühlanze (31) gepumpt und daraus als Sprühkegel (32) in die pulverförmige Schüttung der aktivierten Kohlenstoffmikropartikel (K) gesprüht. Dabei wurden diese heftig verwirbelt. Nachdem ein Druck von 50 bar erreicht war, wurde das Ventil (14) geschlossen, und das Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch (H2/N2) wurde während 30 Minuten auf die aktivierten Kohlenstoffmikropartikel (K) einwirken gelassen. Dadurch sank der Druck in dem Druckgefäß (12) um 5 bar. Nach der Ruhezeit wurden das Durchlassventil (15) und der Dreiwegehahn (24) zu dem Rückschlagventil (26) hin geöffnet, und der Inhalt des Druckgefäßes (12) wurde durch die Druckleitung (25) zu der Sprühlanze (28) geblasen und als Sprühkegel (29) aus wasserstoffhaltigen, pulverförmigen, aktivierten Kohlemassen (H2K) und Gasbläschen aus dem Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch (H2/N2) in die Gärflüssigkeit (GF) des Biokonverters (BK) gesprüht. Dabei bildeten sich in der Gärflüssigkeit (GF) zahlreiche Wirbel, die die Durchmischung der Stoffe förderten. Die Durchführung (27) der Druckleitung (25) durch die Reaktorwand (RW) war mit einer flexiblen Dichtung fluiddicht abgedichtet, um die Druckstöße beim Einblasen abzufedern. Nach den Druckausgleich schloss sich das Rückschlagventil (26). Der Dreiwegehahn (24) wurde nun zur Stickstoffspülleitung (LN2), die zu dem Zyklon (34) führte, geöffnet und in Richtung des Rückschlagventils (26) geschlossen. Das Durchlassventil (17) wurde geöffnet, und es wurde Stickstoff (N2) durch die Stickstoffspülleitung (LN2), die Leitung (LK), das Druckgefäß (12), das Durchlassventil (15), die Druckleitung (25), den Dreiwegehahn (24) und durch die Stickstoffspülleitung (LN2) in den Zyklon (34) geblasen, worin Reste der wasserstoffhaltigen, pulverförmigen, aktivierten Kohlemassen (H2K) aus der Gasphase abgetrennt und über den Feststoffaustrag (35) in einen Sammelbehälter (nicht dargestellt) geleitet wurden. Der Stickstoff wurde über die Stickstoffauslassleitung (LAN2) ausgeleitet. Bei dem erfindungsgemäßen Injektionsverfahren wurde trotz der geringen Affinität zwischen Wasserstoff und Aktivkohle signifikant mehr Wasserstoff von den pulverförmigen, aktivierten Kohlenstoffmikropartikeln (K) als üblich aufgenommen. Außerdem wurde der Kontakt zwischen Wasserstoff und den hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen signifikant verbessert, was die Fermentation oder Gärung erheblich beschleunigt.

Claims

Patentansprüche

1. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA), zumindest umfassend mindestens einen Biokonverter (BK) zur kohlendioxidneutralen, einstufigen oder mehrstufigen Herstellung von Biogas (BG) durch Fermentation von Biomasse (BM; BGM) in einer mit Agitationsmitteln bewegten Gärflüssigkeit (GF) in der Gegenwart von elementarem Wasserstoff, hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen und aktivierten Kohlemassen (K; KM), mindestens einen Ammoniakvorrat (NH3), der mit mindestens einer Ammoniakleitung (NH3L) mit

- mindestens einem Ammoniakcracker (AC) zur Herstellung von Wasserstoff und Stickstoff (H2/N2) durch die katalytische Spaltung von Ammoniak mithilfe erneuerbarer Energien verbunden ist, und

- mindestens eine Leitung (LH2/N2) zur Einleitung des erzeugten Wasserstoffs (H2) oder des Wasserstoff-Stickstoff-Gemischs (H2/N2) direkt in den mindestens einen Biokonverter (BK) und/oder mindestens eine Vorrichtung (VBK) zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K; KM) mit Wasserstoff (H2) bei höherem Druck mit mindestens einer Druckleitung (25) und mindestens einer Sprühlanze (28) zur Injektion der wasserstoffhaltigen, aktivierten Kohlemassen (H2K; H2KM) als Sprühkegel (29) in die Gärflüssigkeit (GF) des mindestens einen Biokonverters (BK), wobei das Ammoniak mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt ist und der mindestens eine Ammoniakcracker (AC) mithilfe erneuerbarer Energien betreibbar ist.

2. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ammoniakvorrat (NH3) mindestens eine Druckgasflasche ist.

3. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ammoniakcracker (AC) als Doppelrohrreaktor ausgelegt ist, wobei in dem zentralen Rohr (HR; ZR) mindestens eine Heizquelle angeordnet ist und in dem Crackrohr (CR) mindestens ein Crackkatalysator (KAT) enthalten ist.

4. Biokonverteranlage (BKA) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Heizquelle mindestens einen Heizraum (HR) mit mindestens einer metallischen Füllkörperschüttung (MFK) als Wärmeüberträger sowie mindestens einer Heizkammer (HK) mit mindestens einem Brenner (BR) und mindestens einer Flamme (FL) umfasst.

5. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (BK) mit mindestens einem Brennstoff, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Biogas (BG), Biogas (BG)-Erdgas-Gemischen, heißem Wasserstoff (H2), heißem Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch (H2/N2) und Gemischen aus mindestens zwei der vorstehend genannten Brennstoffe, und mit heißer Luft (L) als Oxidationsmittel betreibbar ist.

6. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ammoniakcracker (AC) mindestens einen Druckminderer (V1) mit einem elektronisch gesteuerten Aktuator, mindestens eine Ammoniakleitung (NH3L) zu mindestens einem ersten Rekuperator (WT1) zum Erhitzen des Ammoniaks (NH3) mit dem über mindestens eine Abgasleitung (AGL) aus dem zentralen Rohr (ZR) zugeführten heißen Abgas (AG), mindestens eine Ammoniakleitung (NH3L) für die Zuleitung des erhitzen Ammoniaks (NH3) von dem mindestens einen ersten Rekuperator (WT1) zu dem Crackrohr (CR) mit dem mindestens einen Crackkatalysator (KAT), mindestens eine Leitung (LH2/N2) zum Ausleiten des mindestens einen heißen Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemischs (H2/N2) aus dem Crackrohr (CR) zu mindestens einem zweiten Rekuperator (WT2) zum Aufheizen der zu dem mindestens einen Brenner (BK) geführten Luft (L) und zum Abkühlen des Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemischs (H2/N2), mindestens eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Wasserstoff-Stickstoff- Gasgemischs (H2/N2) oder des mithilfe mindestens einer wasserstoffselektiven Membran abgetrennten Wasserstoffs (H2) auf <70 °C sowie mindestens eine Vorrichtung zum Abtrennen des Ammoniaks (NH3) aus dem Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch (H2/N2) vor dessen Einleitung in den mindestens einen Wasserstoff-Stickstoff-Verteiler (HV) des mindestens einen Biokonverters (BK) und/oder vor dessen Einleitung in die mindestens eine Vorrichtung (VBK) zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K; KM) mit Wasserstoff (H2) bei höherem Druck mit mindestens einer Druckleitung (25) und mindestens einer Sprühlanze (28) zum Einsprühen der wasserstoffhaltigen, aktivierten Kohlemassen (H2K; H2KM) als Sprühkegel (29) in die Gärflüssigkeit (GF) des mindestens einen Biokonverters (BK),

7. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen für das flüssige und/oder gasförmige Ammoniak (LNH3), das im mindesten einen ersten Rekuperator (WT1) erhitzte Ammoniak (NH3), die Luft (L), die im mindestens einen zweiten Rekuperator (WT2) erhitzte Luft (L) und das Biogas (BG) sowie die Ableitungen (LH2/N2) des erzeugten Wasserstoffs-Stickstoffs-Gemischs (H2/N2) spiralförmig ausgeführt sind.

8. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Vorrichtung (VBK) zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K; KM) mit Wasserstoff (H2) bei höherem Druck enthält, die zumindest jeweils ein Druckgefäß (12) mit einem rohrförmigen oberen Bereich (12.1), einem konisch zulaufenden unteren Bereich (12.2), eine horizontal verlaufende Decke (12.3) und einem Durchlassventil (15) für wasserstoffhaltige, aktivierte Kohlemassen (H2K; H2KM), - eine Vakuumpumpe (22) mit vorgeschaltetem Absperrventil (13) für Vakuum und Überdruck und einem vorgeschalteten Sieb (21) innerhalb des Druckgefäßes (12),

- ein Manometer (19) und ein Sicherheitsventil oder Druckhalteventil (20), eine Stickstoffspülleitung (LN2) mit einem Durchlassventil (17) für Stickstoff (N2) zu dem Druckgefäß (12), ein Dosiergerät (18) für pulverförmige, aktivierte Kohlemassen (K; KM) mit einer Leitung (LK) für die pulverförmigen, aktivierten Kohlemassen (K; KM) zu dem Druckgefäß (12), eine Sprühlanze (31 ) für Wasserstoff (H2) oder Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch (H2/N2) im unteren Bereich (12.2), eine Leitung für Wasserstoff (LH2) odereine Leitung (LH2/N2) für ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch (H2/N2), einen Kompressor (33) und ein vorgeschaltetes Durchlassventil (14) umfasst.

9. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierten Kohlemassen (K; KM) in der Gärflüssigkeit (GF) des mindestens einen Biokonverters (BK)

- in Schwebekörpern, jeweils enthaltend

- mindestens einen Auftriebskörper,

- mindestens eine fixierte, aktivierte Kohlemasse und

- mindestens eine Beschwerung, frei beweglich oder durch Verankerungen an dem mindestens einen Reaktorboden (RB)) befestigt, in Schwimmkörpern (SCH), in mindestens einer Schicht mithilfe von mindestens einem Klebstoff fixiert, in den Wirbelkörpern einer Wirbelschicht eines Dreiphasenwirbelschicht- Biokonverters (BK), in mindestens einem immobilen, fluiddurchlässigen Behältnis eingeschlossen, in mindestens einem Festbett in mindestens einem Festbettreaktor der sich in mindestens einem Auflaufseitenkreis eines Zweistufenkonverters befindet, und/oder

- als magnetisierbare, aktivierte Kohlepartikel (KM) vorliegen.

10. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Biokonverter (BK) mindestens einen Biomassezulauf (BMZ) für flüssig-feste Biomasse (BM) in den oberen Bereich des mindestens einen Reaktorvolumens (RV) in die mindestens eine Gasphase (G) und/oder in die mindestens eine bewegte Gärflüssigkeit (GF) und/oder mindestens einen Biomassezulauf (BGZ) für gasförmige Biomasse (BMG) in die mindestens eine bewegte Gärflüssigkeit (GF) im unteren Bereich des mindestens einen Reaktorvolumens (RV) sowie mindestens einen Ablauf mit jeweils einer Dickstoffpumpe (1; 2; 3) für konvertierte Biomassen oder Gärprodukte (KBM) an dem Reaktorboden (RB) aufweist.

11. Kohlendioxidneutrale Biokonverteranlage (BKA) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest mindestens einen Biokonverter (BK1) mit einer Gärflüssigkeit (GF) eines pH- Werts <7 und einer Dickstoffpumpe (1) zur Förderung der flüssig-festen Gärprodukte (KBM) von dem mindestens einen Biokonverter (BK1) zu mindestens einem Biokonverter (BK2),

- mindestens einen Biokonverter (BK2) mit einer wasserstoffhaltigen Gärflüssigkeit (GF) eines pH-Werts >7 und einer Dickstoffpumpe (2) zur Förderung der flüssig-festen Gärprodukte (KBM) von dem mindestens einen Biokonverter (BK2) zu mindestens einem Nachgärer (BK3) und mindestens einen Nachgärer (BK3) mit einer Dickstoffpumpe (3) zur Förderung der flüssig-festen Gärprodukte (KBM) von dem mindestens einen Nachgärer (BK3) zu mindestens einem Flüssig-Fest-Separator (FFS) mit Feststoffaustrag (FA) umfasst.

12. Kohlendioxidneutrales, einstufiges oder mehrstufiges Konvertierungsverfahren zur Herstellung von Biogas (BG) durch Fermentation von Biomasse (BM) in einer mit Agitationsmitteln (AG) bewegten Gärflüssigkeit (GF) in der Gegenwart von elementarem Wasserstoff, hydrogenotrophen und methanogenen Archaeen Mikroorganismen und aktivierten Kohlemassen (K; KM), dadurch gekennzeichnet, dass es in mindestens einer kohlendioxidneutralen Biokonverteranlage (BKA) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 durchgeführt wird.

13. Verfahren zur Injektion wasserstoffhaltiger, pulverförmiger aktivierter Kohlemassen (H2K; H2KM) in die Gärflüssigkeit (GF) mindestens eines Biokonverters (BK) unter Druck, zumindest umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

(A) Bereitstellen mindestens einer Vorrichtung (VBK) zur Behandlung von aktivierten Kohlemassen (K; KM) mit Wasserstoff (H2) bei höherem Druck, jeweils zumindest umfassend mindestens ein Druckgefäß (12) mit jeweils einem rohrförmigen oberen Bereich (12.1), einem konisch zulaufenden unteren Bereich (12.2), einer horizontal verlaufenden Decke (12.3), einem Durchlassventil (15) für wasserstoffhaltige, aktivierte Kohlemassen (H2K; H2KM), einem Manometer (19), einem Sicherheitsventil oder Druckhalteventil (20), einer Stickstoffspülleitung (LN2) mit einem Durchlassventil (17) für Stickstoff (N2) zu dem Druckgefäß (12), einem Dosiergerät (18) für pulverförmige, aktivierte Kohlemassen (K; KM) mit einer Leitung (LK) für die pulverförmigen, aktivierten Kohlemassen (K; KM) zu dem Druckgefäß (12),

(B) Einfüllen von pulverförmigen, aktivierten Kohlemassen (K; KM) mithilfe eines Dosiergerät (18) übereine Leitung (LK) in das mindestens eine Druckgefäß (12) bei geschlossenem Durchlassventil (25).

(C) Evakuieren des mindestens einen gefüllten Druckgefäßes (12) bei geschlossenem Durchlassventil (25) mit mindestens einer Vakuumpumpe (22) mit jeweils einem vorgeschaltetem Absperrventil (13) für Vakuum und Überdruck und einem vorgeschalteten Sieb (21) innerhalb des Druckgefäßes (12) bis ein Vakuum ^1,0 mbar erreicht ist,

(D) Schließen des Absperrventils (13) und Einsprühen von Wasserstoff (H2) oder Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch (H2/N2) unter höherem Druck in den unteren Bereich (12.2) mit mindestens einer Sprühlanze (31) in der Form mindestens eines Sprühkegels (32) bis ein Druck >10 bar erreicht wird, wobei die Gase durch mindestens eine Leitung (LH2) für den Wasserstoff (H2) oder mindestens eine Leitung (LH2/N2) für das Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch (H2/N2) zu mindestens einem Kompressor (33) geleitet und dort verdichtet werden, wonach die verdichteten Gase durch mindestens ein vorgeschaltetes Durchlassventil (14) zu der mindestens einen Sprühlanze (31) gefördert werden,

(E) Schließen des Durchlassventil (14) und Öffnen des Durchlassventils (15) zur Druckleitung (25) mit dem Rückschlagventil (26) und der abgedichteten Durchführung (27) für die Druckleitung (25) durch die Reaktorwand (RW) und Durchleiten der wasserstoffhaltigen, pulverförmigen, aktivierten Kohlemasse (H2/K; H2/KM) zu der Sprühlanze (28) und Injizieren der wasserstoffhaltigen, pulverförmigen aktivierten Kohlemasse (H2K; H2KM) in der Form eines Sprühkegels (29) aus Wasserstoff (H2) und wasserstoffhaltiger, pulverförmiger, aktivierter Kohlemasse (H2/K; H2/KM).

14. Verfahren zur Injektion wasserstoffhaltiger, pulverförmiger, aktivierter Kohlemassen

(H2K; H2KM) in die Gärflüssigkeit (GF) mindestens eines Biokonverters (BK) unter

Druck nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: (F) Drehen des Dreiwegehahns (24) in der Druckleitung (25) nach dem Druckausgleich, sodass der Teil der Druckleitung (25) in Richtung des Rückschlagventils (26) geschlossen und in Richtung der Stickstoffspülleitung (LN2) und des Fliehkraftabscheiders (34) geöffnet wird, und

(G) Öffnen des Durchlassventils (17) für Stickstoff (N2) in der Stickstoffspülleitung (LN2) und Spülen des Druckgefäßes (12), der Druckleitung (25), des Dreiwegehahns (24) und der nachfolgenden Stickstoffspülleitung (LN2), Abscheiden gegebenenfalls vorhandener pulverförmiger Kohlemassen (K; KM;

H2K; H2KM) in dem Fliehkraftabscheider (34) und Austragen aus dem Feststoffaustrag (35) sowie Ausleiten des Stickstoffs (N2) durch die Stickstoffauslassleitung (LAN2) aus dem Fliehkraftabscheider (34).

15. Verwendung der in der kohlendioxidneutralen Biokonverteranlage (BKA) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 konvertierten Biomassen oder Gärprodukte (KBM) und/oder der in dem kohlendioxidneutralen Verfahren gemäß Anspruch 12 verwendeten, aktivierten Kohlemassen (K; KM) als Düngemittel und zur Herstellung von Terra preta.