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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufreinigen von
Biogas.
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Biogas
wird aus der Vergärung von organischen Stoffen gewonnen.
Es enthält die Gase Methan, Kohlendioxid, und Wasserdampf,
dazu Spuren von Schwefelwasserstoff, Ammoniak, HCl, Wasserstoff,
flüchtigen organischen Säuren und Siloxane/Silane.
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Die
energetische Verwertung des Biogases geschieht heute zum großen
Teil in Blockheizkraftwerken, d. h. es werden nahe der Biogasanlage
große Mengen an Strom und Niedertemperaturwärme
produziert. Während der Strom ins Netz eingespeist werden
kann, ist ein Niedertemperaturwärmeabnehmer nicht immer
lokal vorhanden, so dass die Wärme im ungünstigsten
Fall unter zusätzlichem Energieaufwand weggekühlt
werden muss.
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Die
Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität, das Verdichten
und Fördern des Methans zu einem Blockheizkraftwerk nahe
eines Wärmeverbrauchers, ist daher eine immer mehr an Bedeutung
gewinnende Alternative zu den lokalen Blockkeizkraftwerken (BHKW).
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Anders
als Stromnetze verfügen lokale Gasnetze nur über
eine geringe Puffer- oder Ausgleichskapazität bei einem
temporären Überangebot an Biomethan. Bei Erreichen
des Maximaldrucks im Erdgasnetz ist es in der Regel notwendig, das
anfallende Biogas teilweise oder komplett abzufackeln.
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Es
besteht daher ein erheblicher Bedarf, Methan aus Biogas auf Erdgasqualität
aufzubereiten, ohne dass bei schwankenden Abnahmekapazitäten
Biogas abgefackelt werden muss.
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Bekannte
Verfahren zur Biogasaufbereitung greifen teilweise auf Verfahren
der Erdgasaufbereitung zurück. Sie lassen sich nach Adsorptionsverfahren,
Absorptionsverfahren und Membranverfahren ordnen.
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Das
Standard-Adsorptionsverfahren ist die Druckwechseladsorption (Pressure
Swing Adsorption, PSA), wie es zum Beispiel in der
CH 692 653 A5 beschrieben
ist. Hierbei werden bei hohem Druck Kohlendioxid und polare Begleitgase
an einer Aktivkohle- oder Molekularsieboberfläche gebunden.
Methan adsorbiert deutlich schlechter als Kohlendioxid und die Begleitgase.
Nachdem das Adsorbens beladen ist, wird der Druck abgesenkt und
die Verunreinigung desorbieren wieder und werden als Schwachgas
abgeleitet. Das Verfahren ist also nicht kontinuierlich, es kann
quasi kontinuierlich mit mehreren parallel verschalteten Kolonnen
betrieben werden. Mit der PSA werden hochreine Methanströme
erzeugt. Geringe Mengen an Methan (im einstelligen Prozentbereich)
finden sich jedoch im Schwachgas wieder. Da Methan ein sehr schädliches
Klimagas ist, darf es nicht in die Umwelt gelangen.
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Ein
grundsätzlicher Nachteil der PSA ist neben den hohen Investitionskosten,
dass die Anlage nicht energieautark betrieben werden kann. Sowohl
die elektrische Energie für die Biogasanlage, als auch
die Kompressionsenergie zur Erzeugung des Netzdrucks müssen
von einer externen Energiequelle bereitgestellt werden.
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In
der
EP 1 634 946 A1 ist
ein Verfahren zur Gewinnung von Bioerdgas beschrieben, das schematisch in
2 in
einem Blockschaltbild dargestellt ist. Bei diesem Verfahren wird
zunächst in einem Fermenter
1 Rohbiogas aus Biomasse
erzeugt. Das Rohbiogas wird einer Aufbereitungsstufe
2 zugeführt,
in welcher aus dem Rohbiogas Bioerdgas erzeugt wird, wobei ein zusätzlicher
Abgasstrom mit einem Methangehalt von 17 Vol.-% anfällt.
Die Aufreinigungsstufe arbeitet mittels eines Molekularsiebes auf
Kohlenstoffbasis ohne Rezirkulation. Das Methan des Abgasstroms
wird mittels eines Schwachgasbrenners zur Wärmeerzeugung
verbrannt. Die hierbei anfallende Wärme wird im Fermenter
zur Biogasproduktion genutzt. Es wird davon ausgegangen, dass Abgase
mit weniger als 40 Vol.-% Methan nicht zum Betreiben eines Blockheizkraftwerkes
geeignet sind.
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Als
Alternative zu Adsorptionsverfahren gibt es Absorptionsverfahren,
die die gute Löslichkeit der Methanbegleitgase in Wasser
ausnutzen, um Methan zu separieren. So lösen sich Kohlendioxid,
Schwefelwasserstoff und Ammoniak – in Abhängigkeit
vom pH-Wert – bis zu 100.000 mal besser in Wasser als Methan. Standardverfahren
sind die kalte Aminwäsche (MEA-Wäsche) und die
Laugenwäsche. Hier wird das Biogas in einer ersten Trennkolonne
von den sauren Gasen befreit. In einer zweiten Kolonne wird das
gelöste Gas ausgetrieben. Das Waschmittel kann wieder in
die erste Kolonne zurückgeführt werden.
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Neben
den klassischen Absorptionsverfahren sind noch einige exotische
Absorptionsverfahren bekannt. In der
DE 44 19 766 A1 , der
DE 103 46 471 A1 und in
der
DE 10 2005
010 865 A1 werden photosynthetische Systeme beschrieben,
die CO
2 und H
2S
unter großem Einsatz von Lichtenergie in Biomasse speichern.
In der
US 2003/0143719
A1 wird vorgeschlagen, speziell CO
2 mit
einer Lösung aus dem Gas zu waschen, welche eine Carboanhydrase
enthält. Dieses Enzym beschleunigt die Einstellung des
Kohlensäuregleichgewichtes und verringert so Hystereseeffekte
bei der Absorption/Desorption des CO
2 in
Wasser.
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Die
Gaspermeation ist ein vergleichsweise neues Verfahren. Ein Beispiel
für die Aufbereitung von Biogas mit einer Gaspermeationsanlage
ist in
DE 100 47 264
A1 beschrieben. Das Rohbiogas wird über eine Membran
geleitet. CO
2 und H
2S
lösen sich in der Membran und diffundieren durch diese
hindurch. Sie bilden ein Permeat. Um das notwendige treibende Gefälle
bereit zu stellen, wird der nicht durch die Membran hindurch tretende
Gasstrom, das Retentat, unter Druck gesetzt, so dass es ein Druckgefälle
zwischen dem Retentat und dem Permeat gibt. Im Idealfall wird die
Membran jedoch nicht konvektiv durchströmt. Der Vorteil
dieses Verfahrens ist der einfache Aufbaus. Es werden nur ein Verdichter
und ein Membranmodul benötigt. Besonders bei kleinen Anlagen
rentieren sich somit die im Vergleich geringen Investitionskosten
sehr schnell. Daneben ist dieses Verfahren ein kontinuierliches
Verfahren und kommt ohne Prozesschemikalien oder andere Hilfsstoffe
aus. Der Nachteil dieses Verfahren ist, dass mehrere Membranstufen
zur kompletten Abtrennung des Methans benötigt werden.
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Bei
der Einspeisung von aufbereitetem Biogas in Erdgasnetze wird häufig
eine dauerhafte Verfügbarkeit der Netze als Gasspeicher
angenommen. Eine konventionelle Biogasanlage mit Einspeisung ist
nicht in der Lage auf eine Sättigung des Erdgasnetzes zu
reagieren. Das Projekt Kombikraftwerk (www.kombikraftwerk.de)
speichert beispielsweise Überschussmethan lokal in Gasspeichern
oder im Gasnetz. Eine Anpassung der Substratmenge an den Energie-
oder Gasbedarf ist nicht möglich, da zumindest bei Hochlastbiogasanlagen
die Biologie empfindlich auf Schwankungen bei der Fütterung
reagiert.
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Aus
einem am 5. Januar 2006 veröffentlichten Final
Project Report „Gas Separations using Ceramic Membranes"
von Paul K. T. Liu, Media and Process Technology, Inc., U.S.A.,
sind keramische Membrane bekannt. Diese Membrane werden zum Trennen
von bestimmten Komponenten aus Gasströmen verwendet. Ein Beispiel
zeigt eine Anwendung, mit welcher CO2 aus
einem Gasstrom getrennt wird.
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Weiterhin
ist die Verwendung von Polymermembranen zur Abtrennung von Kohlendioxid
aus Gasströmen bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas zu schaffen, die auf einfache
Art und Weise eine sehr effiziente Erzeugung und Aufreinigung von
Biogas erlauben.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 oder des Anspruchs 2 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruches 11 oder Anspruches 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen und Aufreinigen
von Biogas umfasst folgende Schritte:
- – Erzeugen
von Biogas aus Biomasse,
- – Aufreinigen des Biogases mittels einer Membran, welche
den Rohgasstrom in zwei Ströme aufteilt, wobei der eine
Strom durch die Membran hindurchtritt und als Schwachgasstrom bezeichnet
wird und der andere Strom von der Membran zurückgehalten
wird und als Methangasstrom bezeichnet wird, und die Membran derart
eingestellt ist, dass der Schwachgasstrom einen Anteil von zumindest
10 Vol.-% Methan aufweist, und
- – der Schwachgasstrom in einem Blockheizkraftwerk in
Wärme und elektrischen Strom umgesetzt wird.
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Da
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil
von Methan im Schwachgasstrom relativ hoch eingestellt ist, vereinfacht
sich die Aufreinigung des Biogases erheblich, wobei gleichzeitig
eine hohe Qualität an Bioerdgas erzielt wird. Die erforderliche
Trennstufe ist also einfach in Form einer Membran ausgebildet und es
ist möglich, mit dem Schwachgasstrom ein Blockheizkraftwerk
zu betreiben. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird entgegen herkömmlicher Praxis die Trennstufe nicht
dahingehend optimiert, möglichst viel Methan zu extrahieren,
sondern die Trennstufe wird dahingehend optimiert, den Kohlendioxid-Anteil
möglichst vollständig in den Schwachgasstrom zu überführen,
wobei ein großer Methananteil im Schwachgasstrom nicht
nur hingenommen sondern sogar erwünscht ist, da hierdurch
die im Schwachgasstrom enthaltene Energie effizient mittels eines
Blockheizkraftwerkes genutzt werden kann.
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Die
eine Membran aufweisende Trennstufe ist zum einen einfach und kostengünstig
ausgebildet und erlaubt zum anderen einen kontinuierlichen Betrieb.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erzeugen und Aufreinigen von Biogas vorgesehen, das folgende Schritte
umfasst:
- – Erzeugen von Biogas aus
Biomasse,
- – Aufreinigen des Biogases mittels zumindest einer
Trennstufe, welcher das Biogas in Form eines Rohgasstromes zugeführt
wird und welche den Rohgasstrom in einen Methanstrom und einen Schwachgasstrom aufteilt,
und
- – der Schwachgasstrom in einem Blockheizkraftwerk in
Wärme und elektrischen Strom umgesetzt wird, wobei
mit
einer die Trennstufe umgehenden Bypassleitung ein variabler Anteil
des Rohgasstroms direkt dem Blockheizkraftwerk zugeführt
wird.
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Bei
diesem Verfahren ist eine die Trennstufe umgebende Bypassleitung
derart vorgesehen, dass ein variabler Anteil des Rohgasstroms direkt
dem Blockheizkraftwerk zugeführt wird. Hierdurch kann schnell
auf einen wechselnden Bedarf bei den Abnehmern (Erdgasnetzwerk,
Stromnetzwerk) reagiert werden. Wenn die Pufferkapazitäten
des Erdgasnetzwerkes ausgeschöpft sind, wird der Anteil
des dem Blockheizkraftkwerk direkt zugeführten Rohgasstromes
erhöht, wodurch mehr elektrischer Strom erzeugt wird. In
Stromnetzwerken gibt es keine Beschränkung bezüglich
der Einspeisung des Stromes. In Stromnetzwerken besteht hingegen Bedarf
an schnell und kurzzeitig verfügbarer elektrischer Leistung.
Dies kann auch durch Erhöhen des direkt dem Blockheizkraftwerk
zugeführten Rohgasstromes befriedigt werden. Gibt ein Betreiber
einer derartigen Anlage zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas
die Kontrolle über die Produktion derartiger schnell und
kurzzeitig abrufbarer Stromleistung direkt an einen Betreiber eines
Stromnetzwerkes ab, so wird dieser Strom als Regelstrom bezeichnet,
der sehr hoch vergütet wird.
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Bei
diesem Verfahren kann die Trennstufe mit einer Membran ausgebildet
sein. Sie kann jedoch auf einer anderen Technologie, wie zum Beispiel
dem Druckwechseladsorptionsverfahren oder einem Absorptionsverfahren
beruhen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beispielhaft
erläutert. Diese zeigen schematisch in:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von
Biogas in einem Blockschaltbild, und
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2 eine
Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas nach dem Stand der Technik in
einem Blockschaltbild.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen und
Aufreinigen von Biogas umfasst einen Fermenter 1 zum Erzeugen
von Biogas aus Biomasse, eine Trennstufe 2 zum Aufreinigen
des Biogases, und ein Blockheizkraftwerk 4 zum Erzeugen
von Wärme und elektrischem Strom. Der Fermenter 1 ist
mit der Trennstufe 2 über eine Rohgasleitung 5 verbunden.
In der Trennstufe 2 wird das Rohgas in einen Methangasstrom und
einen Schwachgasstrom aufgeteilt. Der Methangasstrom wird über
eine Methangasleitung von der Trennstufe 2 zu einem Kompressor 7 geführt.
Der Kompressor 7 verdichtet das Methangas derart, dass
es in ein Erdgasnetz eingespeist werden kann. Das Schwachgas wird
mittels einer Schwachgasleitung 8 von der Trennstufe 2 dem
Blockheizkraftwerk 4 zugeführt. Das Blockheizkraftwerk
weist einen Motor, z. B. eine Mikrogasturbine, und einen mit dem
Motor verbundenen Generator zur Stromerzeugung auf. Das Blockheizkraftwerk 4 ist über
einen Wärmetauscherkreis 9 thermisch an den Fermenter 1 gekoppelt,
um die im Blockheizkraftwerk erzeugte Wärme dem Fermenter 1 zur
Produktion von Biogas zuzuführen.
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In
der Rohgasleitung 5 ist optional ein Zwei-Wege-Ventil 10 angeordnet,
an das eine zum Blockheizkraftwerk 4 führende
Bypass-Leitung 11 angeschlossen ist.
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Das
Blockheizkraftwerk 4, der Kompressor 7 und das
Ventil 10 sind über Steuerleitungen 12 mit
einer Steuereinheit 13 verbunden. Die Steuereinheit 13 kann
an ein Datennetzwerk 14, wie zum Beispiel dem Internet,
angeschlossen sein.
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Das
Blockheizkraftwerk 4 weist einen elektrischen Ausgang 15 auf,
um elektrische Energie in ein Stromnetzwerk einzuspeisen. Weiterhin
weist es einen thermischen Ausgang 16 auf, mit dem überschüssige Wärme
abgeleitet werden kann.
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Die
Trennstufe weist vorzugsweise eine Membran (nicht dargestellt) als
Trennmittel auf. Derartige Membranen können von der Firma
Membrane Technology and Research, Inc., Menlo-Park, Kalifornien,
USA erhalten werden. Hierbei wird die unter schiedliche Permeabilität
des Membranmaterials für die verschiedenen Gasmoleküle
genutzt. Mit solchen Membranen kann daher sowohl die gemeinsame
Abtrennung von Kolendioxid und Schwefeldioxid als auch die selektive
Abtrennung von Schwefelwasserstoff und Kolendioxid in mehrstufigen
Anlagen durchgeführt werden. An der Membran wird ein bestimmter
Anteil des Rohgasstromes zurückgehalten und bildet einen
Methangasstrom, der auch als Retentat bezeichnet wird. Der durch
die Membran hindurchtretende Anteil des Rohgasstromes bildet einen
Schwachgasstrom, der auch als Permeat bezeichnet wird.
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Die
Membrane sind vorzugsweise keramische Membrane. Es ist jedoch auch
möglich, Polymermembrane zu verwenden.
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Vorzugsweise
wird die Abtrennung lediglich einstufig ausgeführt, d.
h., dass der Rohgasstrom zum Abtrennen einer bestimmten Komponente
lediglich über eine einzige Membran geführt wird.
Hierbei ist es jedoch möglich, mehrere Membranen in Reihe
geschaltet vorzusehen, die jeweils für eine bestimmte Komponente
selektiv sind. Vorzugsweise wird der Rohgasstrom unter Druck gesetzt,
so dass ein Druckgefälle an der Membran anliegt, das die
Trennung in den Methanstrom und den Schwachgasstrom unterstützt.
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Das
Druckgefälle an der Membran und das Membranmaterial werden
derart aufeinander abgestimmt, dass im Schwachgasstrom ein Methangehalt
von etwa 30 Vol.-% bis 35 Vol.-% enthalten ist. Es kann auch ein Methananteil
von etwa 25 Vol.-% bis weniger als 40 Vol.-% bzw. sogar bis zu 50
Vol.-% zweckmäßig sein.
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Ein
solcher Schwachgasstrom kann in einem Blockheizkraftwerk direkt
in Wärme und Strom umgesetzt werden, wobei das darin enthaltene
Methan verbrannt wird. Ein zur Verwertung eines für Schwachgasstrom
geeignetes Blockheizkraftwerk weist vorzugsweise eine Mikrogasturbine
auf. Eine solche Mikrogasturbine ist beispielsweise von der Firma
Capstone Turbine Corporation, USA, unter dem Handelsnamen C65 bzw. C60-ICHP
erhältlich. Derartige Mikroturbinen können wirtschaftlich
effizient mit einem Schwachgas betrieben werden. Die konstante Verbrennung
des Gases in einer Turbine ist vorteilhaft für die Verwendung
von Schwachgas.
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Die
Membranen enthalten beispielsweise Hohlfasern. Die Verwendung derartiger
Membrane zur Aufbereitung von Biogas ist in
Schell, William
J. P., "Use of Membranes for Biogas Treatment" Energy Progress, im
Juni 1983, Ausgabe 3, Nr. 2, Seiten 96–100 beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die
Verfahrensparameter derart eingestellt, dass fast das gesamte Kohlendioxid
durch die Membrane hindurchtritt. Hierdurch wird ein Methangasstrom
mit einem Methananteil von mehr als 99 Vol.-% Methan erhalten. Es
ist somit ein sehr reiner Methangasstrom, der den üblichen
Anforderungen an Bioerdgas genügt. Als Bioerdgas wird Biogas
bezeichnet, das Erdgasqualität besitzt. Die Erdgasqualität
ist beispielsweise in DVGW G 260, 261 und 262 geregelt und fordert
einen Methangehalt von zumindest 96 Vol.-%.
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Da
die Parameter an der Membran derart eingestellt werden, dass Kohlendioxid
fast vollständig hindurchtritt, wird folglich dem sehr
reinen Methangasstrom erhalten. Der Schwachgasstrom enthält
einen relativ hohen Methananteil, was bei herkömmlichen
Verfahren unerwünscht ist. Im vorliegenden Verfahren stellt
dies jedoch einen Vorteil dar, da der Schwachgasstrom direkt zum
Betreiben des Blockheizkraftwerkes verwendet werden kann.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Optimierung der Trennstufe im
Hinblick auf das zu trennende Kohlendioxid liegt darin, dass die
Trennung einstufig erfolgen kann. Eine einstufige Trennung ohne
Rezirkulation oder Rückkopplung ist sehr einfach und kostengünstig
durchführbar.
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Die
Erhöhung des Methananteils im Schwachgasstrom im Vergleich
zu herkömmlichen Verfahren bewirkt somit gleichzeitig die
drei Vorteile, dass ein reiner Methangasstrom in Erdgasqualität
erzielt wird, dass die Trennstufe einfach ausgebildet und als Membran
kontinuierlich betrieben werden kann, und der Schwachgasstrom zum
Betreiben eines Blockheizkraftwerkes geeignet ist.
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Am
Ventil 10 kann ein Teil des Rohgasstromes über
die Bypassleitung 11 direkt zumn Blockheizkraftwerk 4 geführt
werden. Da Mikrogasturbinen mit einem breiten Spektrum an Gaszusammensetzungen
betrieben werden können, kann das Blockheizkraftwerk 4 bei
Bedarf direkt mit Rohbiogas bzw. einem Gemisch aus Rohbiogas und
Schwachgas betrieben werden.
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Ein
solcher Bedarf besteht beispielsweise dann, wenn im Erdgasnetz keine
weiteren Kapazitäten zum Einspeisen von Bioerdgas vorhanden
sind. Gasnetze verfügen in der Regel über geringe
Puffer- und Ausgleichskapazitäten. Zudem gibt es oftmals
kurzzeitige Überangebote an Bioerdgas. Bei Erreichen des
Maximaldrucks im Erdgasnetz ist es daher oftmals nicht möglich,
weiteres Bioerdgas einzuspeisen. Das überschüssige
Bioerdgas muß dann bei herkömmlichen Verfahren
abgefackelt werden. Vorrichtungen zur Erzeugung von Bioerdgas werden
deshalb meistens an Standorten gebaut, bei welchen das Erdgasnetz
relativ hohe Ausgleichskapazitäten besitzt, um ein Abfackeln
zu vermeiden. Diese Standorte sind jedoch begrenzt und schränken
den örtlichen Einsatzbereich herkömmicher Vorrichtungen
zum Erzeugen von Bioerdgas beträchtlich ein. Alternativ
wäre es möglich, einen größeren
Gasspeicher vorzusehen. Aufgrund von Kosten und Platz ist jedoch
meistens die Größe des Gasspeichers begrenzt und
nur zur Aufnahme einer Gasproduktion von typischerweise 6 Stunden
ausgelegt. Wenn man mit einer solchen Vorrichtung schnell viel elektrische
Leistungen bereitstellen möchte, dann könnte man
grundsätzlich den Motor und den Generator entsprechend
größer auslegen. Hierzu müßte
dann auch ein entsprechender Vorrat an Biogas bereit gestellt werden.
Hierfür müßte man den Gasspeicher nochmals
vergrößern. Da dies nicht praktikabel ist, sind
herkömmliche Vorrichtungen zum Erzeugen von Bioerdgas sehr
begrenzt in ihren Ausgleichskapazitäten beim Abgeben von
Bioerdgas und die erzeugte elektrische Leistung kann in der Regel
nicht frei variiert werden. Durch das Vorsehen der Bypassleitung 11 ist
es möglich, überschüssiges Bioerdgas
im Blockheizkraftwerk in Strom und Wärme umzusetzen. Der Strom
kann dann in das Stromnetz eingespeist werden und wird zumindest
in Deutschland zu einem festen Tarif vergütet.
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Somit
ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Menge des
erzeugten Bioerdgases gezielt zu steuern, ohne dass bei schwankenden
Abnahmekapazitäten Bioerdgas abgefackelt werden muss. Eine
Steuerung im Bereich des Fermenters ist praktisch nicht möglich,
da dies viel zu träge im Vergleich zu den Anforderungen
der Erdgasnetze ist.
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Ein
weiterer Vorteil der Bypassleitung 11 liegt darin, dass
bei Bedarf der Netzbetreiber des Stromnetzes sehr schnell größere
Mengen an elektrischem Strom zur Verfügung gestellt werden
können. Ein Netzbetreiber von Stromnetzwerken muss oftmals
sehr kurzfristig auf Strombedarfspitzen reagieren. Stromerzeuger, die
schnell abrufbaren Strom bereitstellen, übergeben die Kontrolle
ihrer Stromproduktion zumindest zum Teil den Netzbetreibern des
Stromnetzwerkes. Dies wird mittels einer Fernüberwachung
realisiert, die über das Datennetz 14 auf die
Steuereinheit 13 zugreift. Bei Bedarf kann der Betreiber
des Stromnetzwerkes die elektrische Leistung direkt abfragen. Ein
derartiger Strom wird als Regelstrom bezeichnet. Dieser Regelstrom
wird sehr hoch vergütet. Durch das Vorsehen der Bypassleitung 11 ist
es möglich, einen derartigen Regelstrom bereitzustellen,
da im Bedarfsfall schnell ein kontinuierlicher Rohgasstrom dem Blockheizkraftwerk 4 zugeleitet werden
kann, um die Menge an produzierter elektrischer Leistung zu steigern.
Da die Turbine des Blockheizkraftwerkes kontinuierlich in Betrieb
ist, gibt es keine Anfahrzeit, sondern es kann innerhalb von wenigen
Sekunden die elektrische Leistung hochgefahren werden. Aufgrund
der hohen Entgelte für Regelstrom ist dies für
den Betreiber einer derartigen Vorrichtung zur Herstellung und Aufbereitung
von Bioerdgas sehr lukrativ. Selbstverständlich ist es
während der Bereitstellung des Regelstromes nicht möglich,
gleichzeitig eine große Menge an Bioerdgas in das Gasnetz
einzuspeisen. Da jedoch das Erdgasnetz sehr träge ist,
stellt dies für den Betrieb einer solchen Vorrichtung kein
Problem dar, wenn für kurze Zeit die Produktion des Bioerdgases
abgesenkt bzw. vollständig eingestellt wird.
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Nachfolgend
wird die Energie- und Massenbilanz des oben beschriebenen Ausführungsbeispieles
der Vorrichtung zum Erzeugen und Aufbereiten von Biogas erläutert.
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Mit
dem Fermenter werden 470 Nm3/h Rohbiogas
mit einem Methangehalt von etwa 65 Vol.-% hergestellt und der Trennstufe 2 zugeführt.
Die thermische Energie des Rohbiogases beträgt 3379,1 KW.
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In
der Trennstufe wird ein Methangasstrom mit 235 Nm3/h
und einem Methangehalt von 99 Vol.-% und einer thermischen Energie
von 2599 KW abgetrennt und in das Erdgasnetz eingespeist. Gleichzeitig
fällt ein Schwachgasstrom mit 235 Nm3/H
und einem Methangehalt von 35 Vol.-% und einem Gehalt an thermischer Energie
von 780 KW an.
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Im
Blockheizkraftwerk 4 wird dieser Schwachgasstrom mit einer
Mikrogasturbine in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt.
Der thermische Wirkungsgrad beträgt 56%, womit 548,6 KW
thermisch nutzbare Wärme vorliegen. Die Verwendung einer
Mikrogasturbine hat zudem den Vorteil, dass die Abgastemperatur sehr
hoch ist (zum Beispiel 309°C), weshalb die thermische Energie
sehr effizient weiter genutzt werden kann. Der elektrische Wirkungsgrad
des Blockheizkraftwerkes liegt bei 29%, womit elektrischer Strom
mit einer Leistung von 284 KW erzeugt wird.
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Da
sowohl im Schwachgasstrom als auch im Methangasstrom das Methan
vollständig genutzt wird, wird eine Methanausbeute von
100 Vol.-% erzielt.
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Im
Vergleich hierzu wird die Energie- und Massenbilanz der Erzeugung
und Aufbereitung des Biogases mit der in 2 gezeigten
Anlage erläutert. Auch hier wird von einer Biogaserzeugung
von 470,0 Nm3/h Rohbiogas mit einem Methangehalt
von etwa 65 Vol.-% ausgegangen. Die Biogasaufbereitung erfolgt nach dem
Druckwechselabsorptionsverfahren. Dazu wird das Rohbiogas auf etwa
6 × 105 Pa (6 Bar) verdichtet, Wasser abgeführt
und der verdichtete Rohbiogasstrom bei etwa 20°C in die
Trennstufe 2 gepresst. Die Trennstufe enthält
einen Adsorberbehälter mit einem Molekularsieb auf Kohlenstoffbasis.
Das mit Methan angereicherte Gas wird in das Gasnetzwerk eingespeist.
Das bei der Druckentspannung desorbierte Kohlenstoffdioxid und andere
gasförmige Verunreinigungen werden unter Anlegen eines
Vakuums abgesaugt und in die Atmosphäre abgeführt.
Bei dieser Verfahrensweise erfolgt keine Rezirkulation des in der
Trennstufe anfallenden Abgases. Bei dieser Verfahrensweise ohne
Rezirkulation wird eine Methanausbeute von 90 Vol.-% erzielt. Der Strombedarf
für die Biogasaufbereitung beträgt 88 KW, der
von außen zugeführt werden muß. Mit dieser Trennstufe
wird ein Schwachgasstrom mit 184,3 Nm3/h
und einem Methangehalt von 17 Vol.-% und einer thermischen Leistung
von 345,69 KW abgeführt. Die Wärme dient der Erwärmung
von Wasser in einem Warmwasserkessel. Der thermische Wirkungsgrad
der Wassererwärmung beträgt 88 Vol.-%, d. h.,
304,20 KW werden als Kesselnutzwärme in der Fermentation
eingebracht. Die Kesselnutzwärme macht somit einen Anteil von
12 Vol.-% bzw. 41,48 KW aus. Die Kesselnutzwärme (hier
304,2 KW) wird in die Biogasproduktion überführt
und dort zum Aufrechterhalten der Fermentationstemperatur zwischen
30°C und 40°C verwendet.
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Es
werden 285,7 Nm3/h Bioerdgas mit einer Methankonzentration
von 96 Vol.-% und einem Energieinhalt von 3033,4 KW erzielt. Der
gesamte energetische Wirkungsgrad liegt somit bei 96,3%.
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In
der folgenden Tabelle sind die wesentlichen Werte der Energiebilanz
des Verfahrens nach dem Stand der Technik und des erfindungsgemäßen
Verfahrens nebeneinander aufgeführt:
| Erfindungsgemäßes
Verfahren | Stand
der Technik |
Energieinput
Rohbiogas [KW] | 3379 | 3379 |
Zusätzlicher
Energieinput Strom [KW] | 52 | 88 |
Gesamtenergieinput
[KW] | 3379 | 3467 |
Bioerdgas
[KW] | 2399 | 3033,4 |
Nutzbare
Wärme [KW] | 549 | 304,2 |
Erzeugter
Strom [KW] | 284 | 0 |
Gesamtenergieoutput
[KW] | 3232 | 3337,6 |
Verluste
[KW] | 147 | 41,5 |
Energetischer
Wirkungsgrad in [%] | 95,6% | 96,3% |
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass Wärme und Strom für den Eigenbedarf
(= Erzeugung und Aufbereitung von Biogas) bzw. für vorhandene
Abnehmer bereitgestellt wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist vollständig energieautark, d. h., es muss
weder Wärme noch Strom von außen zugeführt
werden. Im Einzelfall kann es jedoch sinnvoll sein, den erzeugten
Strom in ein Stromnetzwerk einzuspeisen und den Strombedarf aus
einem Stromnetzwerk zu beziehen, da die Einspeisevergütung oftmals
höher als die Kosten für den zu beziehenden Strom
sind. Die Produktion des Bioerdgases und des Stromes ist hierdurch
günstig. Zudem ist die Trennstufe sehr einfach ausgebildet
und kann kontinuierlich betrieben werden.
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Die
Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert
worden, bei dem ein Blockheizkraftwerk mit einer Mikrogasturbine
eingesetzt wird. Eine derartige Mikrogasturbine ist der bevorzugte
Motor, da eine Mikrogasturbine mit einem breiten Spektrum an Gaszusammensetzung
arbeiten kann und so ein unterschiedlicher Methangehalt in dem der
Mikrogasturbine zugeführten Gasstrom zu keiner Beeinträchtigung des
Betriebes führt. Jedoch erfordert eine Mikrogasturbine
einen Mindest-Methangehalt von ca. 30 Vol.-%. Vorteilhaft bei einer
Mikrogasturbine ist weiterhin die hohe Abgastemperatur, die eine
sehr effiziente Nutzung der Abwärme ermöglicht.
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Anstelle
einer Mikrogasturbine kann auch ein für Schwachgas geeigneter
Zündstrahlmotor verwendet werden. Ein solcher Zündstrahlmotor
ist ein Hubkolbenmotor, in dessen Hubraum neben dem Schwachgas auch
ein Zündstrahl eingespritzt wird, der beispielsweise ein Ölstrahl
aus Pflanzenöl ist. Derartige Zündstrahlmotoren
werden von der Firma Schnell Zündstrahlmotoren AG und Co.
KG, Amtzell/Deutschland hergestellt und vertrieben (www.schnellmotor.de).
Mit einem solchen Zündstrahlmotor kann grundsätzlich
Schwachgas mit einem beliebigen Methananteil in thermische und elektrische
Energie umgesetzt werden. Jedoch ist hier die zusätzliche
Zuführung eines weiteren Energieträgers, wie zum
Beispiel Pflanzenöl, notwendig. Aber auch mit einem solchen
Zündstrahlmotor ist es möglich, das Blockheizkraftwerk
im Dauerbetrieb zu betreiben und schnell auf Bedarfsänderungen
(Überkapazität bei Bioerdgas; Regelstrom) zu reagieren.
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Bei
obigem Ausführungsbeispiel wird in der Trennstufe eine
Membran verwendet. Eine Membran ist die bevorzugte Ausführungsform
einer Trennstufe, da sie einfach ausgebildet ist und kontinuierlich
und kostengünstig betrieben werden kann. Das Vorsehen der
Bypassleitung 11 stellt einen eigenständigen Erfindungsgedanken
dar, der auch unabhängig vor einer Trennstufe mit Membran
realisiert werden kann. Die Bypassleitung 11 ist auch für
Vorrichtungen zum Erzeugen und Aufreinigen von Biogas geeignet,
die als Trennstufe ein Adsorptions- oder ein Absorptionsmittel verwenden.
Auch derartige Trennstufen können so eingestellt sein, dass
das im Rohgasstrom enthaltene Kohlendioxyd fast vollständig
in den Schwachgasstrom überführt wird und der
Schwachgasstrom einen erheblichen Anteil an Methan enthält.
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- 1
- Fermenter
- 2
- Trennstufe
- 3
- Schwachgasbrenner
- 4
- Blockheizkraftwerk
- 5
- Rohgasleitung
- 6
- Methangasleitung
- 7
- Kompressor
- 8
- Schwachgasleitung
- 9
- Wärmetauscher-Kreis
- 10
- Zwei-Wege-Ventil
- 11
- Bypassleitung
- 12
- Steuerleitung
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Datennetzwerk
- 15
- elektrischer
Ausgang
- 16
- thermischer
Ausgang
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - CH 692653
A5 [0008]
- - EP 1634946 A1 [0010]
- - DE 4419766 A1 [0012]
- - DE 10346471 A1 [0012]
- - DE 102005010865 A1 [0012]
- - US 2003/0143719 A1 [0012]
- - DE 10047264 A1 [0013]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.kombikraftwerk.de [0014]
- - 5. Januar 2006 veröffentlichten Final Project Report „Gas
Separations using Ceramic Membranes" von Paul K. T. Liu, Media and
Process Technology, Inc., U.S.A. [0015]
- - Schell, William J. P., "Use of Membranes for Biogas Treatment"
Energy Progress, im Juni 1983, Ausgabe 3, Nr. 2, Seiten 96–100 [0037]
- - www.schnellmotor.de [0055]