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Die
Erfindung betrifft eine Hybridanlage zur Bereitstellung von elektrischer
Energie aus regenerativen Energiequellen, die eine Biogasanlage
mit einem Generator, der elektrische Energie bereitstellt und durch
Verbrennung des von der Biogasanlage erzeugten Biogases angetrieben
wird, und mindestens einen weiteren Energiewandler aufweist, der elektrische
Energie bereitstellt und dessen abrufbare Leistung von externen
Einflußfaktoren, insbesondere dem Windangebot und/oder
der Sonneneinstrahlung, abhängig ist, wobei die elektrische
Energie des Generators und die elektrische Energie des mindestens einen
weiteren Energiewandlers in ein gemeinsames Versorgungsnetz eingespeist
werden.
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Biogasanlagen
weisen einen sogenannten Fermenter auf, in dem biomassehaltige Reststoffe wie
Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste, Gülle, Mist,
Holz schnitzel oder auch gezielt angebaute Energiepflanzen wie beispielsweise
Mais, Getreide und Gras in einem mehrstufigen Prozeß umgesetzt werden.
Dabei entsteht Biogas, dessen wesentlicher energiereicher Bestandteil
Methan ist. Das Biogas kann beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk zum
Antrieb eines Verbrennungsmotors verwendet werden, der einen Generator
antreibt. Die bereitgestellte elektrische Energie kann in ein Versorgungsnetz
eingespeist werden, während die Abwärme des Verbrennungsmotors
für die Beheizung eines Gebäudes genutzt werden
kann. Bedingt durch den zum Antrieb des Generators eingesetzten
Verbrennungsprozeß entsteht beim Betrieb einer Biogasanlage
immer elektrische Energie und Wärme zugleich, insbesondere
ist es nicht möglich, elektrische Energie bereitzustellen,
ohne zugleich Wärme zu erzeugen. Die thermische und elektrische
Leistung einer Biogasanlage ist bis zu einem durch die Dimensionierung
der Anlage bestimmten Maximalwert jederzeit abrufbar. Sofern ausreichend
Biogas verfügbar ist, kann die Leistung der Anlage durch
Steuerung des Verbrennungsmotors in kurzer Zeit bis zu ihrem Maximalwert gesteigert
werden.
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Andere
bekannte Energiewandler können unmittelbar elektrische
Energie bereitstellen, ohne daß eine nennenswerte Abwärme
entsteht. Hierzu zählen insbesondere Windenergie- und Photovoltaikanlagen.
Allerdings ist die Verfügbarkeit der bereitgestellten elektrischen
Energie derartiger Energiewandler von externen Einflußfaktoren
abhängig, in den genannten Beispielen vom Windangebot bzw.
der Sonneneinstrahlung. Unter Umständen kann über
längere Zeiträume gar keine oder nur ein Bruchteil
der Nennleistung derartiger Anlagen abrufbar sein.
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Hybridanlagen
zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen kombinieren
unterschiedliche Energiewandler. Eine derartige Hybridanlage ist
aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2004 046 701 A1 bekannt.
Sie wird als regeneratives Energiesystem bezeichnet und kombiniert
eine Windenergieanlage, die elektrische Energie erzeugt und in ein
Versorgungsnetz einspeist, mit einem Verbrennungsmotor, der mit
einem aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenem Brennstoff, beispielsweise
Rapsöl, betrieben wird. Der Verbrennungsmotor treibt einen
Generator an und erzeugt so elektrische Energie, die ebenfalls in das
Versorgungsnetz eingespeist wird. Im wesentlichen ist die bekannte
Hybridanlage für eine Versorgung von Inselnetzen gedacht.
Dabei ersetzt der mit Rapsöl angetriebene Verbrennungsmotor
einen herkömmlich eingesetzten Dieselgenerator und kann dadurch
die Umweltverträglichkeit verbessern. In einer Ausgestaltung
ist daran gedacht, den Verbrennungsmotor mit Biogas zu betreiben.
Die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme wird
bei der bekannten Hybridanlage nicht genutzt. Von der Windenergieanlage
produzierte elektrische Energie, die den Verbrauch im Versorgungsnetz übersteigt,
kann einer Rapsmühle zugeführt werden. Dadurch
kann überschüssige elektrische Energie genutzt
werden, um einen Vorrat an Rapsöl zu produzieren. Diese
Verwertung überschüssiger elektrischer Energie
setzt jedoch gleichermaßen voraus, daß ausreichend
Raps für die Mühle verfügbar ist und
daß eine ausreichende Lagerkapazität für
das gewonnene Rapsöl vorgehalten wird.
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Hybridanlage der
eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die die
eingesetzten Energiequellen unabhängig vorn momentanen
Bedarf des Versorgungsnetzes effizienter nutzt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die Hybridanlage mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Hybridanlage dient zur Bereitstellung
von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen und hat
eine Biogasanlage mit einem Generator, der elektrische Energie bereitstellt
und durch Verbrennung des von der Biogasanlage erzeugten Biogases
angetrieben wird, und mindestens einen weiteren Energiewandler,
der elektrische Energie bereitstellt und dessen abrufbare Leistung
von externen Einflußfaktoren, insbesondere dem Windangebot
und/oder der Sonneneinstrahlung, abhängig ist, wobei die
elektrische Energie des Generators und die elektrische Energie des
mindestens einen weiteren Energiewandlers in ein gemeinsames Versorgungsnetz
eingespeist werden, und wobei ein Wärmespeicher, dem Wärme
aus dem Verbrennungsprozeß des Biogases über einen
Wärmetauscher zuführbar ist, und mindestens ein
elektrisches Heizelement vorhanden ist, das mit elektrischer Energie
des mindestens einen weiteren Energiewandlers betrieben werden kann.
Die Abhängigkeit der abrufbaren Leistung des mindestens
einen weiteren Energiewandlers kann sich auch auf die Verfügbarkeit
sonstiger, letztlich solarer Brennstoffe beziehen, beispielsweise
bei Geothermieanlagen oder Wasserkraftwerken. Das Versorgungsnetz
kann ein öffentliches Stromnetz und/oder ein Inselnetz
sein. Im Falle eines Inselnetzes ermöglicht die erfindungsgemäße Hybridanlage
eine autarke Versorgung, was beispielsweise für abgelegene
landwirtschaftliche Betriebe eine sinnvolle Alternative zum Anschluß an
ein öffentliches Versorgungsnetz darstellt. Der Wärmespeicher
kann eine beliebige Einrichtung zum Speichern von Wärme
sein, beispielsweise ein thermisch isolierter Wassertank. Die im
Verbrennungsprozeß des Biogases frei werdende Wärme,
die nicht mit Hilfe des Generators in elektrische Energie umgewandelt
werden kann, ist dem Wärmespeicher zuführbar, d.
h. sie entweicht nicht ungenutzt, sondern kann zur späteren
Nutzung gespeichert werden. Als zweite Möglichkeit der
Wärmezufuhr dient das elektrische Heizelement, das mit
elektrischer Energie von dem mindestens einen weiteren Energiewandler
betrieben werden kann. Dadurch kann überschüssige
elektrische Energie von einem oder mehreren der weiteren Energiewandler
in Wärme umgesetzt und der Biogasanlage zugeführt
werden. In der Regel muß die Biogasanlage zur Aufrechterhaltung
der Methanproduktion konstant beheizt werden, je nach verfahrenstechnischer
Auslegung auf zwischen 20° und 50°C Substrattemperatur.
Die gefundene Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die weiteren Energiewandler mehr elektrische Energie erzeugen,
als die an das Versorgungsnetz angeschlossenen Verbraucher benötigen.
Sofern die elektrische Energie nicht anderweitig, etwa in einem
elektrischen Energiespeicher, gespeichert werden kann, müßten
die weiteren Energiewandler gegebenenfalls abgeschaltet werden.
Dies ist jedoch ungünstig, weil es die Hybridanlage in
eine ungünstige Arbeitsposition für den Gesamtbetrieb
versetzt und eine vergleichsweise aufwendige Betriebsführung
erfordert. Weiterhin kann sich beispielsweise im Falle einer Windenergieanlage
die Beanspruchung der Komponenten der Windenergieanlage gegenüber
einem gleichmäßigen Betrieb erhöhen.
Alternativ zu einer Abschaltung ist es bekannt, die überschüssige
elektrische Energie in Wärme umzusetzen und dem Erdboden
zuzuführen. Hierzu ist jedoch eine aufwendige Vorrichtung
erforderlich und die überschüssige Energie geht
für eine spätere Nutzung verloren. Mit dem mindestens
einen, auch über einen längeren Zeitraum bedarfsweise
zuschaltbaren Heizelement wird die Hybridanlage mit einem zusätzlichen,
regelbaren Verbraucher ausgestattet, der schwankende Nachfrage nach
elektrischer Energie in dem Versorgungsnetz vergleichmäßigen
kann.
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Grundsätzlich
kann das mindestens eine Heizelement zur Deckung des Wärmebedarfs
der Biogasanlage auf beliebige Weise beitragen. In einer Ausgestaltung
ist mindestens eines der elektrischen Heizelemente in dem Wärmespeicher
angeordnet. Der Wärmespeicher ist ein Teil der Biogasanlage.
Da in diesem Fall zur Speicherung der Abwärme aus dem Verbrennungsprozeß und
der von dem elektrischen Heizelement bereitgestellten Wärme
ein gemeinsamer Wärmespeicher verwendet wird, kann ein interner
oder externer Wärmeverbraucher auf einfache Weise aus dem
Wärmespeicher versorgt werden und so von beiden Wärmequellen.
profitieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eines der elektrischen
Heizelemente in einem Fermenter der Biogasanlage, einem Heizkreislauf zur
Beheizung eines Fermenters der Biogasanlage oder in einem Wärmetauscher
zur Beheizung eines Fermenters der Biogasanlage angeordnet. In diesem Fall
dient das elektrische Heizelement also ohne zwischengeschalteten
Wärmespeicher direkt zur Bezeizung des Fermenters. Insbesondere
bei der Anordnung eines Heizelements in dem Fermenter können Maßnahmen
erforderlich sein, die eine lokale Überhitzung des Substrats
verhindern, beispielsweise eine großflächige Ausführung
der Heizelemente.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eines der elektrischen
Heizelemente in einem Vorlagebehälter der Biogasanlage
angeordnet. Ein Vorlagebehälter dient zur Erwärmung
von Frischsubstrat, das anschließend dem Fermenter zugeführt wird.
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Der
Antrieb des Generators kann grundsätzlich mit einer beliebigen
Verbrennungskraftmaschine erfolgen, beispielsweise mit einem Kolbenmotor.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Gasturbine zum Antreiben
des Generators vorgesehen. Eine Gasturbine zeichnet sich durch einen
höheren Wirkungsgrad als ein herkömmlicher Verbrennungsmotor
aus. Dadurch kann aus der gleichen Menge Biogas eine größere
Menge elektrischer Energie gewonnen werden. Entsprechend reduziert
sich die Wärmemenge, die bei der Verbrennung einer bestimmten Menge
Biogas freigesetzt wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist Wärme dem Wärmespeicher
zum Aufheizen eines Fermenters der Biogasanlage entnehmbar. Dadurch
kann die Biogasanlage auf eine für die Biogasproduktion
günstige Temperatur gebracht werden. Bevorzugt wird die
im Verbrennungsprozeß freigesetzte Wärme dem Abgas
mit einem Wärmetauscher entnommen und dem Fermenter der
Biogasanlage über einen weiteren Wärmetauscher
zugeführt. In Kombination mit einen in dem Wärmetauscher
für die Wärmezufuhr zum Fermenter angeordneten
Heizelement entsteht so ein „hybrider Wärmetauscher", der
sowohl elektrisch als auch mit Wärme aus dem Wärmespeicher
versorgt werden kann.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Biogasanlage einen Gastank
zur Speicherung von Biogas auf. Dadurch kann ein ausreichender Vorrat
an Biogas vorgehalten werden, um die Biogasanlage auch bei mangelnder
Biogasproduktion, etwa in Folge von Wartungsarbeiten oder einer
Rohstoffknappheit, für einen gewissen Zeitraum betreiben
zu können. Weiterhin kann die Biogasproduktion durch die
Pufferwirkung des Gastanks auch bei schwankender Leistung der Gasturbine
auf einem gleichmäßigen, günstigen Niveau
fortgeführt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasturbine eine
Mikrogasturbine mit einer elektrischen Leistung von 100 kW oder
weniger. Mikrogasturbinen sind speziell für den genannten,
relativ niedrigen Leistungsbereich optimiert und weisen einen hohen
Wirkungsgrad auf. Es kann daher eine Hybridanlage mit hohem Wirkungsgrad
in einem für viele Anwendungen ausreichenden, relativ niedrigen Leistungsbereich
angeboten werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß derartige
Mikrogasturbinen mit nicht aufbereitetem, insbesondere nicht entschwefeltem Biogas
betrieben werden können. Ein Beispiel für eine
Mikrogasturbine ist aus
DE
202 20 621 U1 bekannt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die
elektrische Gesamtleistung des mindestens einen weiteren Energiewandlers
maximal 50% der elektrischen Leistung des Generators. Die elektrische
Gesamtleistung bezieht sich auf die elektrische Leistung aller angeschlossenen
weiteren Energiewandler. Dadurch kann die insgesamt von der Hybridanlage
bereitgestellte elektrische Leistung auch bei stark schwankender
Leistung des mindestens einen weiteren Energiewandlers konstant
gehalten werden. Insbesondere kann die Gasturbine in einem Arbeitspunkt
betrieben werden, der ein schnelles Ausregeln von Leistungsschwankungen
des mindestens einen weiteren Energiewandlers ermöglicht. Gleichzeitig
kann die Gasturbine in einem hinsichtlich des Wirkungsgrads günstigen
Leistungsbereich betrieben werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist einer der mindestens einen weiteren
Energiewandler eine Windenergieanlage. Ebenfalls bevorzugt ist die
Verwendung einer Photovoltaikanlage. Beide Varianten sind bewährte,
robuste Energiewandler, die unmittelbar elektrische Energie bereitstellen
können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere weitere
Energiewandler vorgesehen, die unterschiedliche regenerative Energiequellen
nutzen. Durch die Kombination unterschiedlicher regenerativer Energiequellen
für die Bereitstellung elektrischer Energie mit einer Biogasanlage
können Leistungsschwankungen der einzelnen Energiequellen
teilweise kompensiert werden. Außerdem wird das verfügbare
Energieangebot, beispielsweise in Form von Sonnen- und Windenergie,
besser ausgenutzt. Die Kombination unterschiedlicher Energiequellen
bietet auch eine erhöhte Betriebssicherheit im Falle technisch
bedingter Ausfälle einzelner Energiewandler.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung sind die weiteren Energiewandler an
einen gemeinsamen Gleichspannungskreis oder an einen gemeinsamen
Wechsel spannungskreis angeschlossen. Werden nur Energiewandler
kombiniert, die naturgemäß eine Gleichspannung
liefern, dann werden diese an einen gemeinsamen Gleichspannungskreis
angeschlossen. Werden nur Energiewandler kombiniert, die naturgemäß eine
Wechselspannung liefern, dann werden diese an einen gemeinsamen
Wechselspannungskreis angeschlossen. Werden Energiewandler, die
eine Gleichspannung liefern, mit Energiewandlern, die eine Wechselspannung
liefern, kombiniert, kann die gelieferte Wechselspannung mit einem
geeigneten Netzanschlußgerät in Gleichspannung
umgewandelt werden. Alternativ können die Energiewandler,
die eine Gleichspannung liefern, mit einem Wechselrichter kombiniert
werden, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt.
Netzanschlußgeräte bestehen im wesentlichen aus
einem Gleichrichter und einem Siebglied und liefern bei Speisung
mit Wechselstrom einen Gleichstrom mit einer nur geringen Restwelligkeit.
Derartige Netzanschlußgeräte sind aus Geräten
und Anlagen bekannt, die durch Netzwechselstrom gespeist werden.
Sie können für unterschiedliche Spannungs- und
Stromstärkebereiche gebaut werden. Ein Vorteil der Anwendung
von Netzanschlußgeräten liegt in deren Robustheit
gegenüber Lastschwankungen und Schwankungen der Eingangsspannung
von beispielsweise bis zu +/– 10%. Bei einem Anschluß der weiteren
Energiewandler an einen gemeinsamen Gleichspannungskreis werden
alle Energiewandler, die naturgemäß eine Gleichspannung
liefern, mit einem geeigneten Schutz gegen unerwünschte
Rückwirkungen aus dem Gleichspannungskreis ausgestattet.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der gemeinsame Gleichspannungskreis
bzw. der gemeinsame Wechselspannungskreis an einen Energiespeicher
angeschlossen. Der Energiespeicher kann elektrische Energie entweder
direkt oder durch Energieumwandlung aus einem thermischen, chemischen
oder mechanischen Energiespeicher bereitstellen. Die direkte Bereitstellung
von elektrischer Energie kann beispielsweise über eine
Kondensatorbatterie erfolgen, während die Bereitstellung
von elektrischer Energie durch Energieumwandlung aus thermischer
Energie beispielsweise aus einem Wärmespeicher erfolgen
kann. Die Bereitstellung von elektrischer Energie aus chemischer
Energie kann über einen Akkumulator, eine Batterie, eine
galvanische Zelle oder eine Redox-Flow-Zelle erfolgen. Die Bereitstellung
von elektrischer Energie aus mechanischer Energie kann entweder
aus kinetischer Energie über ein Schwungrad oder aus potentieller
Energie über eine Feder, einen Pumpspeicher, einen Druckluftspeicher,
einen Gasspeicher oder ein Gewicht erfolgen. Die gespeicherte Energie
kann zum Ausgleichen von Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler
im Gleichspannungs- oder Wechselspannungskreis genutzt werden und
somit den von den weiteren Energiewandlern unmittelbar bereitgestellten
elektrischen Energiefluß verstetigen. Weiterhin kann die
gespeicherte Energie genutzt werden, um die Hybridanlage nach einer
Betriebspause unabhängig von einer externen Versorgungsspannung
wieder anzufahren. Hierzu kann es beispielsweise erforderlich sein,
Hilfsantriebe der Biogasanlage, der Gasturbine oder der weiteren
Energiewandler wieder in Gang zu setzen oder in eine bestimmte Arbeitsposition
zu verfahren oder nachzuführen. Außerdem kann über
den Energiespeicher die Spannungsversorgung für die gesamte Überwachung,
Steuerung und Regelung der Hybridanlage während einer Betriebspause
sichergestellt werden. Mit der auch über einen längeren
Zeitraum bedarfsweise zuschaltbaren elektrischen Energie aus dem Energiespeicher
wird die Hybridanlage mit einer zusätzlichen, regelbaren
Energiequelle ausgestattet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wandelt ein Wechselrichter
elektrische Energie aus dem gemeinsamen Gleichspannungskreis in Wechselspannung
um und speist diese in das Versorgungsnetz ein. Durch den Wechsel richter
kann die in das Versorgungsnetz eingespeiste Leistung gesteuert
werden. Weiterhin kann die von unterschiedlichen Energiewandlern
bereitgestellte elektrische Energie an die Verhältnisse
des jeweiligen Versorgungsnetzes angepaßt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrische
Energie aus dem gemeinsamen Wechselspannungskreis über
einen Transformator in das Versorgungsnetz eingespeist. Gegebenenfalls
kann auch die einem gemeinsamen Gleichspannungskreis entnommene
Energie nach Umwandlung in Wechselspannung mit Hilfe eines Wechselrichters
mit einem Transformator zur Einspeisung in das Versorgungsnetz kombiniert
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher über
einen ersten Wärmemittelkreislauf mit dem Wärmespeicher
verbunden. Die Wärme kann dem Wärmespeicher je nach
Bedarf des Biogasproduktionsprozesses dann entnommen werden, wenn
sie benötigt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärme
des Wärmespeichers über einen zweiten Wärmemittelkreislauf
entnehmbar. Dadurch kann auch diejenige Wärmeenergie, die
nicht für den Betrieb der Biogasanlage verwertbar ist,
sinnvoll genutzt werden. Insbesondere kann ein Gebäude
wie ein Wohnhaus oder ein Stall mit Wärme versorgt werden.
Dadurch werden die eingesetzten Energieressourcen noch effizienter
ausgenutzt. Die entnommene Wärme kann auch mit Hilfe einer
geeigneten Kälteanlage, beispielsweise einer Adsorptionskältemaschine
oder einer Wärmepumpe, für die Kühlung
von Gebäuden beispielsweise in den Sommermonaten genutzt
werden. Ebenfalls möglich ist es, die überschüssige
Wärme nicht dem Wärmespeicher sondern mit Hilfe
eines weiteren Wärmetauschers direkt dem ersten Wärmemittelkreislauf
zu entnehmen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Biogasanlage einen
Fermenter auf, der mit einem Heizkreislauf versehen ist, der über eine
Ventilanordnung mit dem ersten Wärmemittelkreislauf verbindbar
ist. Über den Heizkreislauf kann der Fermenter mit der
in dem Wärmespeicher gespeicherten Wärme versorgt
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen,
die die den Antrieb des Generators in Abhängigkeit eines
extern oder intern vorgegebenen Sollwerts für die elektrische
Leistung der Hybridanlage und/oder in Abhängigkeit eines
weiteren extern oder intern vorgegebenen Sollwerts für
die thermische Leistung der Hybridanlage steuert. Die beiden Sollwerte
können auf Grundlage der nachgefragten elektrischen und/oder thermischen
Leistung festgelegt werden. Durch die Steuerung des Antriebs des
Generators kann die Hybridanlage beispielsweise eine konstante elektrische Leistung
bereitstellen, wobei Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler
durch die Steuerung des Generatorantriebs kompensiert werden. Gegebenenfalls
kann die Steuerung des Generatorantriebs nur dann eingreifen, wenn
die Leistungsschwankungen der weiteren Energiewandler nicht oder
nicht vollständig mit Hilfe des Energiespeichers oder durch
Zuschaltung des Heizelements kompensiert werden. Ebenfalls möglich
ist, einen Sollwert für die thermische Leistung der Hybridanlage
vorzugeben und somit stets eine bestimmte Wärmemenge zur
Verfügung zu stellen. Das Vorgeben eines Sollwerts für
die elektrische oder die thermische Leistung ist im Bereich der
Blockheizkraftwerke bekannt, die entsprechend als wärmegeführte
oder stromgeführte Blockheizkraftwerke bezeichnet werden.
Bei diesen bekannten Anlagen können jedoch nicht unabhängig voneinander
Sollwerte für die elektrische und die thermische Leistung
vorgegeben werden. Erfindungsgemäß ist dies möglich,
weil die Bereitstellung der elektrischen Energie innerhalb gewisser
Grenzen von der Bereitstellung von Wärme entkoppelt ist.
Es ergeben sich damit neue Möglichkeiten für eine
bedarfsgerechte Steuerung der Hybridanlage.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfaßt die Steuerung
die elektrische Leistung des Generators und/oder die elektrische
Leistung jedes der mindestens einen weiteren Energiewandler und/oder
die dem Wärmespeicher entnommene thermische Leistung. Gegebenenfalls
kann zusätzlich die in das Versorgungsnetz eingespeiste
elektrische Leistung erfaßt werden. Die Erfassung der genannten
Daten bildet die Grundlage für die Steuerung des Antriebs
des Generators. Ebenfalls möglich ist eine Erfassung der
von einem Wechselrichter oder einem Transformator in das elektrische
Versorgungsnetz eingespeisten elektrischen Leistung und/oder der von
dem Energiespeicher aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen
Leistung und/oder der von dem Heizelement bzw. den Heizelementen
aufgenommenen elektrischen Leistung. Insbesondere kann die von einem
elektrischen Heizelement aufgenommene elektrische Leistung auch
in Abhängigkeit von der nachgefragten elektrischen Leistung
im Versorgungsnetz und der von den weiteren Energiewandlern bereitgestellten
elektrischen Energie geregelt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung steuert die Steuerung die elektrische Leistung
eines der mindestens einen weiteren Energiewandler. Dadurch kann
zusätzlich zu der Steuerung des Antriebs des Generators
die von dem weiteren Energiewandler bereitgestellte elektrische
Leistung gezielt beeinflußt werden. Dies ist beispielsweise
bei entsprechend steuerbaren Windenergieanlagen möglich,
deren Leistung z. B. im Interesse einer geringen Geräuschemission
abgesenkt werden kann. Je nach Standort der Windenergieanlage kann
dies insbesondere während der Nachtruhe vorteilhaft sein.
Eine andere Motivation zur Leistungsabsenkung kann sich aus einer
geringen Nachfrage nach elektrischer Energie ergeben. Ebenfalls
vorgesehen ist, daß die Steuerung die Leistung der Heizelemente
oder eines Heizelements steuert. Dadurch kann gezielt eine bestimmte elektrische
Leistung in Wärme umgesetzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der mindestens eine
weitere Energiewandler und/oder die Biogasanlage modular erweiterbar. Die
Erweiterung kann beispielsweise in der Ergänzung weiterer
Solarmodule, einer weiteren Windenergieanlage oder auch einer zusätzlichen
Gasturbine für die Biogasanlage bestehen. Dadurch kann
die Hybridanlage flexibel an eine sich verändernde Nachfrage
nach elektrischer und/oder thermischer Leistung angepaßt
werden. Bevorzugt ist die Hybridanlage bereits für die
Ergänzung weiterer Module vorbereitet, beispielsweise durch
entsprechende größere Dimensionierung elektrischer
Verbindungen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Gasaufbereitungsanlage
vorgesehen und aufbereitetes Biogas wird in ein Gasversorgungsnetz
eingespeist. Die Gasaufbereitungsanlage kann beispielsweise eine
Entschwefelung und Trocknung des erzeugten Biogases durchführen.
Das Gasversorgungsnetz kann ein Rohrleitungsnetz sein, an das eine
Vielzahl von Gasverbrauchern angeschlossen ist. Ebenfalls möglich
ist jedoch, daß das Biogas zunächst in einem Gastank
zwischengespeichert und per LKW oder Schiff an einen anderen Ort
verbracht wird, an dem das aufbereitete Biogas in ein Rohrleitungsnetz
eingespeist wird. Auf diese Weise wird das erzeugte und aufbereitete
Biogas ebenfalls einer Vielzahl von Verbrauchern zugänglich
gemacht. Dadurch kann auch eine größere Menge
an Biogas sinnvoll genutzt werden, als lokal benötigt wird.
Gerade bei größeren landwirtschaftlichen Betrieben
stehen häufig zu große Mengen an Bio masse zur
Verfügung, so daß das daraus erzeugbare Biogas
nicht vollständig für den landwirtschaftlichen
Betrieb verwertet werden kann.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird nur ein Teil des erzeugten Biogases
als Brennstoff für den Antrieb des Generators eingesetzt,
wobei der Teil so bemessen ist, daß die von der Hybridanlage
bereitgestellte elektrische und/oder thermische Energie für
den autonomen Betrieb der Biogas- und Gasaufbereitungsanlage ausreicht.
In dieser Ausgestaltung dient die erfindungsgemäße
Hybridanlage somit vornehmlich der Erzeugung und Aufbereitung von
Biogas zur Einspeisung in ein Gasversorgungsnetz. Je nach Anteil
der von den weiteren Energiewandlern bereitgestellten elektrischen
Energie wird nur eine geringe Menge des erzeugten Biogases als Brennstoff
eingesetzt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt die Biogasanlage wesentlich
mehr Biogas bereit als zur autonomen Energieversorgung, Biogas-
und Gasaufbereitungsanlage erforderlich ist. Um die Menge des erzeugten
Biogases zu steigern, kann entweder der Fermenter wesentlich größer
dimensioniert werden, als zum Betrieb des Antriebs des Generators
erforderlich. Ebenfalls möglich ist die Verwendung zusätzlicher
Fermenter, deren Biogas ausschließlich der Gasaufbereitungsanlage
zugeführt wird. Weiterhin kann die Menge des erzeugten Biogases
auch dadurch maßgeblich gesteigert werden, daß der
Biomasse ein energiereiches Co-Substrat, beispielsweise in Form
energiereicher Pflanzen wie Mais, zugesetzt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem Gasversorgungsnetz
an beliebiger anderer Stelle Gas in Brennstoff- bzw. Wärmeäquivalent
zum eingespeisten Biogas entnommen und dort einer Gasturbine, einem
Verbrennungsmotor oder einer Gasentnahmestation zugeführt.
Dadurch kann die in dem eingespeisten Biogas enthaltene Energie durch
Entnahme einer energieäquivalenten Gasmenge aus dem Versorgungsnetz
an einem beliebigen anderen Ort verwertet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein weiteres elektrisches
Heizelement vorgesehen, das mit elektrischer Energie des mindestens
einen weiteren Energiewandlers 64, 66 betrieben
und für sonstige Heizzwecke eingesetzt werden kann. Beispielsweise
kann überschüssige elektrische Energie dadurch
zur Beheizung eines Betriebsraums der Biogasanlage, eines Containers
oder einer Unterkunft eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Hybridanlage in einer stark vereinfachten,
schematischen Darstellung,
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2 ein
vereinfachtes Blockdiagramm zur Steuerung der Hybridanlage aus 1,
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3 ein
weiteres vereinfachtes Blockdiagramm zur Steuerung einer weiteren
erfindungsgemäßen Hybridanlage.
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4 eine
weitere erfindungsgemäße Hybridanlage in einer
stark vereinfachten, schematischen Darstellung.
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1 zeigt
eine Hybridanlage mit einem Fermenter 10, in dem aus Reststoffen
Biogas erzeugt wird, das sich im oberen Bereich 12 des
Fermenters 10 ansammelt. Über ein Rohrleitungssystem
gelangt das Biogas in einen Gastank 14. Weitere Aufbereitungsschritte
des Biogases, wie beispielsweise eine Entschwefelung, Verdichtung
oder Trocknung des Gases sind in der vereinfachten Darstellung der 1 nicht
dargestellt, können jedoch gleichwohl vorgesehen sein.
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Das
Biogas gelangt aus dem Gastank 14 in eine Mikrogasturbine 60,
die durch Verbrennung des Biogases angetrieben wird. Der ebenfalls
zur Mikrogasturbine 60 führende Pfeil 44 deutet
die Frischluftzufuhr für den Verbrennungsprozeß an.
Die Mikrogasturbine 60 ist über eine Welle mit
einem Generator 62 verbunden, der eine elektrische Leistung
von vorzugsweise 100 kW oder weniger bereitstellen kann.
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Die
von dem Generator 62 bereitgestellte elektrische Leistung
wird über eine Leitung 72 in ein Versorgungsnetz 76 eingespeist.
Das Versorgungsnetz 76 versorgt mehrere nicht dargestellte
elektrische Verbraucher und weist keine Verbindung zum Netz eines
Energieversorgungsunternehmens auf. Alternativ zu diesem sogenannten
Inselbetrieb des Versorgungsnetzes 76 kann die von der
Hybridanlage bereitgestellte elektrische Energie auch in ein öffentliches
Netz eingespeist werden. Die beim Verbrennungsprozeß des
Biogases anfallenden Abgase werden von der Mikrogasturbine 60 über
eine Leitung 36 einem Wärmetauscher 26 zugeführt.
Im Wärmetauscher 26 wird die Wärme des
Abgases von dem Wärmemittel eines ersten Wärmemittelkreislaufs 28 aufgenommen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel dient Wasser als Wärmemittel.
Die Abgase werden von einem Ausgang des Wärmetauschers 26 über eine
Auspuffanlage 38 in die Umgebungsluft abgegeben. Der erste
Wärmemittelkreislauf 28 transportiert die dem
Abgas entnommene Wärme in einen Wärmespeicher 82,
der im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Wassertank
gebildet wird.
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Über
eine Ventilanordnung 30 ist es möglich, den ersten
Wärmemittelkreislauf 28 mit einem Heizkreislauf 32 zu
verbinden, der einen im Inneren des Fermenters 10 befindlichen
zweiten Wärmetauscher 34 durchströmt.
Auf diese Weise kann die dem Abgas entnommene Wärme dem
Biogasproduktionsprozeß innerhalb des Fermenters 10 zugeführt
werden. Dabei wird die Ventilanlage 30 vorzugsweise so, gesteuert,
daß sich in dem Fermenter 10 eine konstante Temperatur
einstellt, je nach verfahrenstechnischer Auslegung.
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Als
weitere Energiewandler verfügt die Hybridanlage der 1 über
eine Windenergieanlage 66 und eine Photovoltaikanlage 64.
Die Windenergieanlage 66 erzeugt einen elektrischen Wechselstrom, der
mit Hilfe eines Gleichrichters 16 in Gleichstrom umgewandelt
wird. Über den Gleichrichter 16 ist die Windenergieanlage
mit einem Gleichspannungskreis 18 verbunden. Die Photovoltaikanlage 64 stellt
unmittelbar eine Gleichspannung zur Verfügung, die ebenfalls
dem Gleichspannungskreis 18 zugeführt wird. Zur
Stabilisierung der Gleichspannung ist der Gleichspannungskreis 18 zusätzlich
mit einem Akkumulator 20 verbunden, der elektrische Energie
speichert. Die in dem Akkumulator 20 gespeicherte elektrische
Energie kann auch zum Anfahren der Hybridanlage nach einer Betriebspause
(Schwarzstart) genutzt werden. Der Gleichspannungskreis 18 ist über einen
Wechselrichter 22 an das Versorgungsnetz 76 angebunden. Über
den „Umweg" des Gleichspannungskreises 18 kann
die elektrische Energie der unterschiedlichen Energiewandler 64 und 66 über
einen gemeinsamen Wechselrichter 22 dem Versorgungsnetz 76 zugeführt
werden.
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Die
das Biogas führende Leitung vom Fermenter 10 zum
Gastank 14 ist mit einer weiteren Ventilanordnung 40 versehen, über
die überschüssiges Biogas, das weder vom Gastank 14 aufgenommen noch
von der Mikrogasturbine 60 verwertet werden kann, einem
Fackelkopf 42 zugeführt, wo es verbrannt werden
kann.
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Durch
das Abfackeln des Biogases, das im wesentlichen aus Methan besteht,
wird die Umweltverträglichkeit gegenüber einem
Freisetzen des Methans in die Atmosphäre deutlich verbessert.
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Die
in dem Wärmespeicher 82 gespeicherte Wärme
kann nicht nur zum Beheizen des Fermenters 10 genutzt werden,
sondern auch über einen in der Zeichnung nur angedeuteten
zweiten Wärmemittelkreislauf 46 für sonstige
Zwecke. Beispielsweise kann auf diese Weise ein mit der Hybridanlage
ausgestatteter landwirtschaftlicher Betrieb mit ausreichend Wärmeenergie
versorgt werden, welche sowohl zum Heizen als auch – mit
einer geeigneten Kältemaschine – zum Kühlen
eingesetzt werden kann.
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Alternativ
kann benötigte Wärmeenergie auch über
einen weiteren Wärmetauscher 24 direkt dem ersten
Wärmemittelkreislauf 28 entnommen werden. Im Ausführungsbeispiel
dient diese Wärmeenergieentnahme zum Betrieb einer Kältemaschine zur
Klimatisierung von landwirtschaftlichen Betriebsräumen.
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Die
Leitung 72 zum Versorgungsnetz 76 ist über
eine elektrische Leitung 50 mit einem Heizelement 48 verbunden,
das in den Wärmespeicher 82 eingesetzt ist. Das
Heizelement 48 wird mit der elektrischen Energie der weiteren
Energiewandler 64 und 66 betrieben. Dadurch kann
das in dem Wärmespeicher 82 befindliche Wasser
zusätzlich aufgeheizt werden. Von den weiteren Energiewandlern 64, 66 bereitgestellte
elektrische Energie kann somit auch dann verwertet werden, wenn
keine Nachfrage nach elektrischer Energie im Versorgungsnetz 46 besteht und
der elektrische Energiespeicher 20 bereits gefüllt ist.
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In
dem Blockdiagramm der 2 ist die Steuerung der Hybridanlage
aus 1 schematisch und stark vereinfacht dargestellt.
Der Generator 62 ist über eine elektrische Leitung 72 mit
einem Knotenpunkt 74 verbunden. Der Knotenpunkt 74 ist ebenfalls über
eine elektrische Leitung 70 mit der Photovoltaikanlage 64 und über
eine elektrische Leitung 68 mit der Windenergieanlage 66 verbunden. Die
elektrische Energie wird über den Knotenpunkt 74 in
das Versorgungsnetz 76 eingespeist. Ebenfalls schematisch
angedeutet ist der Wärmetransport von der Mikrogasturbine 60,
die mit Biogas 78 versorgt wird, durch eine Leitung 80 zu
dem Wärmespeicher 82, von dem aus ein Verbraucher 84 mit
thermischer Energie versorgt wird.
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Die
Steuerung 86 erfaßt über die gepunktet dargestellten
Verbindungen die folgenden Größen: Über
die Verbindung 88 die von der Photovoltaikanlage 64 bereitgestellte
elektrische Leistung, über die Verbindung 90 die
von dem Generator 62 bereitgestellte elektrische Leistung, über
die Leitung 92 die von der Windenergieanlage 66 bereitgestellte
elektrische Leistung und über die Leitung 94 die
insgesamt in das Versorgungsnetz 76 eingespeiste elektrische Leistung.
Die Steuerung 86 wertet die erfaßten Daten aus
und vergleicht die bereitgestellte elektrische Leistung mit einem
extern oder intern vorgegebenen Sollwert 98, der die in
dem Versorgungsnetz 76 nachgefragte elektrische Leistung
beschreibt. Stellt die Steuerung 86 eine Abweichung vom
Sollwert fest, wird über die gestrichelt dargestellte Steuerverbindung 102 ein
Steuerbefehl an die Mikrogasturbine 60 ausgegeben, deren
Leistung daraufhin so angepaßt wird, daß die insgesamt
bereitgestellte elektrische Leistung dem Sollwert 98 entspricht.
Auf diese Weise kann stets die geforderte elektrische Leistung bereitgestellt
werden, auch wenn die elektrische Leistung der Photovoltaikanlage 64 oder
der Windenergieanlage 66 in Folge externer Einflüsse
stark schwankt. Durch die genannte Art der Steuerung wird die elektrische
Leistung der weiteren Energiewandler 64 und 66 gegenüber
der Bio gasanlage priorisiert, so daß eine Verbrennung des
Biogases nur in dem erforderlichen Umfang erfolgt.
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Eine
weitere Variante der Steuerung soll anhand der 3 erläutert
werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine
Windenergieanlage 66 als einziger weiterer Energiewandler
vorgesehen. Die mit den gleichen Bezugsziffern versehenen Elemente
entsprechen denjenigen der 2. Im Unterschied
zur 2 erhält die Steuerung 86 der 3 eine
zweite Sollwertvorgabe 100, welche die nachgefragte thermische
Leistung des oder der Verbraucher 84 beschreibt. Weiterhin
erhält die Steuerung 86 über die Verbindung 96 Informationen über
die dem Wärmespeicher 82 entnommene thermische
Leistung. Bei erhöhter Nachfrage nach thermischer Leistung kann
die Steuerung 86 die Leistung der Mikrogasturbine 60 entsprechend
erhöhen, so daß dem Wärmespeicher 82 eine
ausreichende Wärmemenge zugeführt wird. Sollte
sich dadurch die elektrische Leistung des Generators 62 über
das in dem Versorgungsnetz 76 nachgefragte Maß erhöhen,
kann die überschüssige elektrische Leistung gegebenenfalls über
ein entsprechendes Heizelement ebenfalls dem Wärmespeicher 82 zugeführt
werden. Alternativ hat die Steuerung 86 über die
Steuerleitung 102 die Möglichkeit, die bereitgestellte
elektrische Leistung durch eine Leistungsabsenkung der Windenergieanlage 66 zu
beeinflussen.
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In
der 4 ist schematisch ein Ausschnitt aus einer weiteren
erfindungsgemäßen Hybridanlage dargestellt. Das
Ausführungsbeispiel zeigt insbesondere unterschiedliche
Anordnungen der elektrischen Heizelemente. Die weiteren Energiewandler
und der mit dem Biogas betriebene Generator sind in dem Ausschnitt
nicht dargestellt. Komponenten, die denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels
in 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen
und werden nicht erneut erläutert. Abweichend vom ersten
Ausfüh rungsbeispiel gibt es in der Variante der 4 einen
hybriden Wärmetauscher 110, der zur Erwärmung
des Substrats in dem Fermenter 10 dient. Der hybride Wärmetauscher 110 ist außerhalb
des Fermenters 10 angeordnet und wird über einen
Kreislauf 118 von dem zu erwärmenden Substrat
durchströmt. Der hybride Wärmetauscher 110 bezieht
Wärmeenergie dabei entweder, ähnlich wie der Wärmetauscher 34 aus
dem ersten Ausführungsbeispiel, aus dem Heizkreislauf 32,
oder über die beiden elektrischen Heizelemente 124,
die mit elektrischer Energie der nicht dargestellten weiteren Energiewandler
betrieben werden können. Da der hybride Wärmetauscher 110 Teil
des Heizkreislaufs 32 ist, befinden sich die beiden elektrischen
Heizelemente 124 auch in dem Heizkreislauf 32.
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Die
beiden weiteren elektrischen Heizelemente 126 sind in dem
Vorlagebehälter 112 angeordnet. Der Vorlagebehälter 112 ist
doppelwandig und umfaßt einen inneren Behälter 114,
in dem sich frisches Substrat befindet. Der innere Behälter 114 ist von
einem äußeren Behälter 116 umgeben,
der mit Wasser gefüllt ist. In diesem Wasser befinden sich die
beiden elektrischen Heizelemente 126, die ebenfalls mit
elektrischer Energie der weiteren Energiewandler betrieben werden
können. Dadurch kann das frische Substrat in dem inneren
Behälter 114 erwärmt werden, ohne daß es
zu einer lokalen Überhitzung im Bereich der Heizelemente 126 kommt.
Das auf diese Weise vorgewärmte Frischsubstrat aus dem
Behälter 114 gelangt über eine Leitung 130 und ein
Ventil 132 in den Kreislauf 118 und wird über
diesen denn Fermenter 10 zugeführt. Verbrauchtes Substrat
wird dem Fermenter 10 über eine Leitung 136 entzogen
und einem Abführbehälter 134 zugeführt.
Das verbrauchte Substrat aus dem Abführbehälter 134 kann
mittels Tanklastwagen 138 abtransportiert werden.
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Im
inneren Behälter 114 des Vorlagebehälters 112 und
innerhalb des Fermenters 10 befindet sich jeweils eine
Umwälzeinrichtung 140 bzw. 142, die für
eine Durchmischung des Substrats sorgt.
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Ein
weiteres Paar zusätzlicher Heizelemente 128, die
ebenfalls mit Energie der weiteren elektrischen Energiewandler versorgt
werden können, ist in einer Unterkunft 120 angeordnet.
Diese Heizelemente 128 können beispielsweise Heizstrahler
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004046701
A1 [0004]
- - DE 20220621 U1 [0014]